第06章控制电机

1、船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 控制电机主要用于自动控制系统中作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。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。其任务是转换和传递控制信号。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 本章将介绍几种常用的控制电机：本章将介绍几种常用的控制电机： 第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 第二节第二节 测速发电机测速发电机 第三节第三节 自整角机自整角机 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电

2、系 伺服电动机是一种伺服电动机是一种 把输入的把输入的电信号电信号转转 换为转轴上的换为转轴上的角位角位 移或角速度移或角速度来执行来执行 控制任务的电动机控制任务的电动机。 第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 又称执行电动机又称执行电动机 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 按电流种类分：按电流种类分： 交流伺服电动机交流伺服电动机 直流直流伺服电动机伺服电动机 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 原理原理与两相交

3、流异与两相交流异 步电机相同，定子步电机相同，定子 上装有两个绕组上装有两个绕组 励磁绕组和控励磁绕组和控 制绕组，在空间相制绕组，在空间相 隔隔9090 。 1. 交流伺服电动机交流伺服电动机 励磁绕组励磁绕组 控制绕组控制绕组 杯形转子杯形转子 内定子内定子 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。的目的是为了产生两相旋转磁场。 励磁绕组的接线励磁绕组的接线 U C U 1 I 1 U 放放 大大 器器 控制绕组的接线控制绕组的接线 检检 测测 元元 件件 控制信号控制信号 2

4、U 2 I U 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的 电流相位差接近电流相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，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。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1 U C U 1 I 1 U 例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的例：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。电压电流的相量关系如图所示。 励磁绕组的接线

5、励磁绕组的接线 U C U 1 I 1 U 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 放放 大大 器器 控制绕组的接线控制绕组的接线 检检 测测 元元 件件 控制信号控制信号 2 U 2 I U 控制电压控制电压 与与 电源电压电源电压 两两 者频率相同，相者频率相同，相 位相同或反相。位相同或反相。 2 U U 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相位的相位 差近差近9090，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的

6、 作用下，转子转动起来。作用下，转子转动起来。 1 I 2 I 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （1 1）U U2 2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止。 虽然虽然U U2 2 =0V =0V，U U1 1仍存在，似乎成单相运行状仍存在，似乎成单相运行状 态，但和单相异步机不同。态，但和单相异步机不同。 交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点： 若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。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。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。 船舶电气设备及系统 课 件 2021

7、-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R R2 2设计得较大。所以在设计得较大。所以在 U U2 2=0=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)T=f(s)曲线如下图：曲线如下图： s T 2 1 0 s T T T0 2 1 反转反转正转正转 s T 2 1 0 s T T T0 2 1 反转反转正转正转 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 当当U U2 2=0V=0V时，脉动磁场时，脉动磁场 分成的正反向旋转磁分成的正反向旋转磁 场产生的转距场产生的转距T T 、T T 的合成转矩的

8、合成转矩 T T 与单相与单相 异步机不同。异步机不同。 s T 2 1 0 s T T T0 2 1 反转反转正转正转 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 合成转矩的方向与旋转合成转矩的方向与旋转 方向相反，所以电机在方向相反，所以电机在 U U2 2=0V=0V时，能立即停止。时，能立即停止。 s T 2 1 0 s T T T0 2 1 反转反转正转正转 体现了控制信号的作用体现了控制信号的作用 ( (有控制电压时转动，有控制电压时转动， 无控制电压时不转无控制电压时不转) )， 以免失控。以免失控。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-

9、7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （2 2）交流伺服电机）交流伺服电机 R R2 2设计得较大，使设计得较大，使S Sm m11， T Tst st大，启动迅速，稳定运行范围大。 大，启动迅速，稳定运行范围大。 202 / XRsm 20 2 1max 2 1 X KUT 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （3 3）控制电压）控制电压 U U2 2 大小变化时，转子转速相大小变化时，转子转速相 应变化，转速与电压应变化，转速与电压 U U2 2 成正比。成正比。U U2 2 的的 极性改变时，转子的转向改变。极性改变时，转子的转向改

10、变。 交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U( U1 1=const )=const ) n T U2 0.8 U2 0.6 U2 0.4 U2 T n 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W0.1-100W， 电源频率分电源频率分50Hz50Hz、400Hz400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广 泛，如用泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。在自动控制、温度自动记录等系统中。 应用应用 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机

11、工程学院船电系轮机工程学院船电系 结构：结构： 工作原理：工作原理： 2. 直流伺服电动机直流伺服电动机 与直流电动机基本与直流电动机基本 相同相同, ,为减小转动惯为减小转动惯 量做得细长一些。量做得细长一些。 与直流电动机相同。与直流电动机相同。 M U1 If Ia U2 放放 大大 器器 U U U1 1为励磁电压为励磁电压 U U2 2为电枢电压为电枢电压 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 供电方式：供电方式：他励他励 励磁绕组和电枢由励磁绕组和电枢由 两个独立电源供电两个独立电源供电 M U1 If Ia U2 放放 大大 器器 U

12、 U U1 1为励磁电压为励磁电压 U U2 2为电枢电压为电枢电压 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 直流伺服电机的机直流伺服电机的机 械特性公式与他励械特性公式与他励 直流电机一样直流电机一样 T KK R K U n TE a E 2 2 M U1 If Ia U2 放放 大大 器器 U U U1 1为励磁电压为励磁电压 U U2 2为电枢电压为电枢电压 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 机械特性曲线机械特性曲线 U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T 船舶电气设备及系统 课 件

13、 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 由机械特性可知：由机械特性可知： U U1 1（即磁通（即磁通 ）不变时，）不变时， 一定的负载下，一定的负载下，U U2 2 , ,n n 。 U U2 2=0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。 机械特性曲线机械特性曲线 U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 反转：反转： 电枢电压的极性改变，电机反转。电枢电压的极性改变，电机反转。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 直流伺服电机的特性

14、较交流伺服电机硬。经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，它的输出功率一常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一 般为般为1-600W1-600W。它的用途很多，如随动系统中。它的用途很多，如随动系统中 的位置控制等。的位置控制等。 应用：应用： 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 测速发电机有交流和直流两种测速发电机有交流和直流两种 测速发电机是一种把机械上的旋测速发电机是一种把机械上的旋 转转角速度角速度转变成转变成电信号电信号的发电机的发电机 第二节第二节 测速发电机测速发电机 船舶电气设备及系统 课 件 2021-

15、7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 它的定子上有两个绕组它的定子上有两个绕组 一个作励磁用，称一个作励磁用，称 为为励磁绕组励磁绕组1 1； 另一个输出电压，另一个输出电压， 称为称为输出绕组输出绕组2 2， 两个绕组的轴线两个绕组的轴线 互相垂直互相垂直。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 励磁绕组通入励磁绕组通入 正弦电流时，正弦电流时， 在绕组的轴线在绕组的轴线 方向上产生了方向上产生了 一个随时间按一个随时间按 正弦规律变化正弦规律变化 的 脉 动 磁 通的 脉 动 磁 通 1 1。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-

16、1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1 1在转子中 在转子中 感 应 出 电 流感 应 出 电 流 产 生 ， 并 由产 生 ， 并 由 此 产 生 转 子此 产 生 转 子 磁通磁通2 2。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 测速发电机静止时测速发电机静止时 2 2也沿励磁绕组的也沿励磁绕组的 轴线方向，忽略励轴线方向，忽略励 磁绕组的电阻和漏磁绕组的电阻和漏 抗，合成磁通抗，合成磁通在在 励磁绕组励磁绕组中产生的中产生的 感应电动势感应电动势E E1 1与励磁与励磁 电压电压U U1 1的关系为的关系为 U U1 1E E1 14.4

17、44.44f f1 1N N1 1m m 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 可见，当可见，当U U1 1和和f f1 1 不变时，不变时，合成磁合成磁 通通的大小基本的大小基本 保持不变保持不变，仍为，仍为 原来的磁通原来的磁通1 1。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 由于由于1 1的方向与的方向与 输出绕组的输出绕组的轴线轴线 垂直垂直，在输出绕，在输出绕 组中不产生感应组中不产生感应 电动势，因此，电动势，因此， 当测速发电机静当测速发电机静 止不动时，输出止不动时，输出 电压为零。电压为

18、零。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 测速发电机旋转时测速发电机旋转时 转子导体因切转子导体因切 割磁通割磁通1 1而而 产生电动势和产生电动势和 电流。电流。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 E E 2 2和 和I I 2 2与磁通 与磁通 1 1及转子转速及转子转速 n n成正比，转子成正比，转子 电流电流I I 2 2产生磁 产生磁 通通2 2，两者也，两者也 成正比，成正比，磁通磁通 2 2的方向与输的方向与输 出绕组的轴线出绕组的轴线 方向一致方向一致。 船舶电气设备及系统 课 件

19、 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 因而在输出绕因而在输出绕 组中产生与励组中产生与励 磁电压频率相磁电压频率相 同的感应电动同的感应电动 势，输出绕组势，输出绕组 两端得到频率两端得到频率 相同的输出电相同的输出电 压。压。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 其 大 小 与 磁 通其 大 小 与 磁 通 2 2成正比，输 成正比，输 出电压出电压U U2 2与励磁与励磁 电压电压U U1 1及转子转及转子转 速成正比。速成正比。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 空心杯转

20、子测空心杯转子测 速发电机与直速发电机与直 流测速发电机流测速发电机 相比，具有结相比，具有结 构简单、工作构简单、工作 可靠等优点，可靠等优点， 是目前较为理是目前较为理 想的测速元件。想的测速元件。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 磁通与输出绕组磁通与输出绕组 的轴线一致，因的轴线一致，因 而在其中感应出而在其中感应出 电动势，两端就电动势，两端就 有一个输出电压有一个输出电压 即即 22 U nUnEU 11222 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 从结构上讲，自整角机有两种形式。从结构

21、上讲，自整角机有两种形式。 第三节第三节 自整角机自整角机 一种形式是：定子是三相的，转子是一种形式是：定子是三相的，转子是 单相的；单相的； 另一种形式是：定子是单相的，转子另一种形式是：定子是单相的，转子 是三相的。是三相的。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 在应用中，在应用中，自整角机总是成对使用自整角机总是成对使用，一个作，一个作 为为发送发送，一个作为，一个作为接收接收。 由于使用上的不同，有由于使用上的不同，有控制式和力矩式两种。控制式和力矩式两种。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电

22、系 1 控制式自整角机控制式自整角机 控制式自整角机又称控制式自整角机又称 为为变压器式自整角机变压器式自整角机。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 发送机的转子绕组作为发送机的转子绕组作为 励磁绕组接在固定交流励磁绕组接在固定交流 电源上。接收机的转子电源上。接收机的转子 绕组则作为输出绕组，绕组则作为输出绕组， 其输出电压的大小和相其输出电压的大小和相 位与失调角位与失调角 =有关。有关。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 由于发送机励磁绕组的由于发送机励磁绕组的 脉动磁通在定子三相绕脉动磁

23、通在定子三相绕 组中感应有电动势，而组中感应有电动势，而 接收机定子三相绕组中接收机定子三相绕组中 却没有感应电动势，所却没有感应电动势，所 以在定子三相回路中总以在定子三相回路中总 是有电流通过。是有电流通过。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 这三个电流这三个电流I I1 1，I I2 2和和 I I3 3流经接收机的定子绕流经接收机的定子绕 组，便在接收机的转组，便在接收机的转 子绕组中感应出电压。子绕组中感应出电压。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 理论上可以证明，假理论上可以证明，假

24、 若事先将两个转子的若事先将两个转子的 相对轴位置置成相对轴位置置成90900 0， 那么，接收机转子单那么，接收机转子单 相绕组的输出电压相绕组的输出电压U U2 2 的大小和相位与失调的大小和相位与失调 角角= = 有关。有关。 UU m2 sin U Um m为输出电压最大值为输出电压最大值 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 可以证明，只要失调可以证明，只要失调 角角不等于零，自整不等于零，自整 角变压器的单相绕组角变压器的单相绕组 便有电压输出。便有电压输出。 = = 0 0，U2=0U2=0。 船舶电气设备及系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 通常自整角变压器的输出电通常自整角变压器的输出电 压经电子放大器放大后接到压经电子放大器放大后接到 交流伺服电动机的控制绕组交流伺服电动机的控制绕组 上，伺服电动机带动负载作上，伺服电动机带动负载作 同步转动。同步转动。 同时伺服电动机经齿轮减速同时伺服电动机经齿轮减速 器与接收机转轴相连，当接器与接收机转轴相连，当接 收机的转轴被带动与发送机收机的转轴被带动与发送机 转过同一角度时，接收机输转过同一角度时，接收机输 出电压为零，伺服电动机也出电压为零，伺服电动机也 停止工作。停