船舶电气设备与系统.课件

1、第六章 控制电机 本章概述控制电机是自动控制系统中应用范围非常广泛的旋转电器。在船舶控制系统中也得到了广泛应用。例如船舶雷达的自动定位、方向舵的自动操纵与监测、传令用电车钟，调速装置等都要使用控制电机。控制电机种类很多，根据它们在自动控制系统中的作用，可分为执行元件和测量元件两大类。执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电动机等，它的任务是将输入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量元件主要包括交、直流测速发电机、自整角机等，它可以用来测量机械转角、转角差和转速等。本章介绍几种船舶常用的控制电机的基本结构、工作原理、特性和用途。 第1页，共34页。第6章 控制电机本章主要内容 第一节

2、 伺服电动机 第二节 测速发电机 第三节 自整角机 第2页，共34页。第一节 伺服电动机 伺服电动机在控制系统中是用作驱动控制对象的执行元件，它的转矩和转速受信号电压的控制。特点： 当有电信号（交流控制电压或直流控制电压）输入到 伺服电动机的控制绕组时，它就马上拖动被控制的对 象旋转；当电信号消失时，它就立即停止转动。伺服电动机分为交流和直流两种类型。返回第3页，共34页。一、交流伺服电动机 1. 结构特点 交流伺服电动机实际上是两相异步电动机。其基本结构 和一般异步电动机相似。定子铁心上装有空间相隔90 的两个绕组：一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。 定子的铁心分隐极式和凸极式，图6-1为凸

3、极形定子铁心。隐极形式的定子铁心形状与三相异步电动机相同，但绕组是由两个空间相差90的绕组制成。 伺服电动机的转子有鼠笼式转子和杯形转子两种。 杯形转子伺服电动机的结构如图6-1所示。第4页，共34页。图6-1 杯形转子伺服电动机的结构图返回第5页，共34页。2. 工作原理 （1）控制绕组加控制电压图6-2为交流伺服电动机的接线图。图6-3为向量图。图6-4为不同控制电压下的机械特性曲线。第6页，共34页。图6-2 交流伺服电动机的接线图图6-3 电压与电流相量 图图6-4 不同控制电压下 的机械特性曲线第7页，共34页。（2）控制电压 控制电压 的运行状态可分 两种情况讨论：第一种情况：伺服

4、电动机在运行中控制电压消失而变为零，电动机会立即停转。此时电动机励磁绕组产生脉动磁场，由于伺服电动机的转子电阻足够大，其转矩特性右图所示。在伺服电动机正（或反转）转时，电磁转矩与转动方向相反，即产生制动电磁转矩，在此转矩的作用下电机立即停转。图6-5交流伺服电动机单相运行特性T = f (s )第8页，共34页。第二种情况：未加控制电压（励磁绕组始终接在 交流电源上），脉动磁场作用于电动机起动转矩 为零，所以转子保持静止不动。第9页，共34页。二、直流伺服电动机 1.结构特点 2.控制方法与性能 3.控制特性 第10页，共34页。1. 结构特点 直流伺服电动机的结构与直流电机相同。根据获得磁极

5、 磁场型式的不同，常用的直流伺服电动机的结构型式有 直流永磁式和电磁式两种。 永磁式的磁极为永久磁铁，采用具有矫顽磁力和剩磁感 应强度值很高的稀土永磁材料组成。 电磁式伺服电动机如同他励直流电动机，它的励磁绕组 和电枢分别有两个独立电源供电。为了减小转动惯量， 使其响应迅速，直流伺服电动机的电枢都做成细长形。第11页，共34页。2. 控制方法与性能 直流伺服电动机的工作原理与一般的直流电动机相同， 电枢电流和磁极磁场作用产生电磁转矩，使转子转动。 根据直流电动机转速公式 直流伺服电动机的控制方式有两种，电枢控制与磁场控 制，即改变电枢电压 的大小和极性（电枢控制）或采 取改变磁极磁通的大小和方

6、向（磁场控制）来改变 转子的转速或转向。后者控制特性的线性程度较差，很 少采用。第12页，共34页。 图6-6为电磁式电枢控制接线图如所示。 图6-7为直流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性 曲线nf（T）。第13页，共34页。图6-6 直流伺服电动机的接线图返回第14页，共34页。图6-7 直流伺服电动机的机械特性第15页，共34页。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为控制特性。第16页，共34页。图6-8 控制特性（T3T2T1）返回第1

7、7页，共34页。第二节 测速发电机 测速发电机的功能是将机械转速信号转换为电压信号输 出。它在自动控制系统中用来测量和调节转速，在反馈 系统中常用来稳定转速。 测速发电机有直流测速发电机和交流测速发电机两种类 型。结构特点与运行原理。返回第18页，共34页。 1. 结构特点 交流测速发电机的结构和交流伺服电动机相同，其转子有鼠笼式和空心杯转子两种类型，但鼠笼转子特性差，目前大多数采用空心杯形转子。定子上放置两套空间相差90的绕组，一个是励磁绕组，另一个是输出绕组，工作时，励磁绕组接在恒定的交流电源上（勿需串联电容），产生脉动磁场。当转子由某种设备拖动旋转时，输出绕组将有感应电压输出，感应电压与

8、转子转速成线性正比例关系。 第19页，共34页。2. 工作原理 交流测速发电机的原理示意图如图6-9示。 图6-10为交流测速发电机的原理。第20页，共34页。图6-9 交流测速发电机的原理图第21页，共34页。 图6-10 交流测速发电机的原理图 返回第22页，共34页。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。第23页，共34页。第三节 自整角

9、机 在同步传动系统（即转角随动系统）中，为了实现两 个或两个以上相距很远而在机械上又互不联系的转轴 进行同步角位移或同步旋转，常采用电气上互相联 系，并具有自动整步能力的电机来实现转角的自动指 示或同步传递，这种电机称为自整角机。在自整角构成的同步传动系统中，自整角机至少是两 个或两个以上组合使用。其中一个自整角机与主动轴 相联称为发送机，另一个与从动系统相联称为接收 机。通常发送机和接收机的型号和结构完全相同。返回第24页，共34页。自整角机按其在同步传动系统使用要求的不同分为力 矩式自整角机和控制式自整角机。自整角机又分单相 和三相两种。 图6-11为舵角指示装置示意图。 图6-12为自整

10、角机结构示意图。第25页，共34页。图6-12 自整角机结 构示意图图6-11 舵角指示装 置示意图返回第26页，共34页。一、力矩式自整角机 1.接线方式 如图6-13 2.工作原理 如图6-13 如图6-14第27页，共34页。图6-13 力矩式自整角机的接线图返回第28页，共34页。图6-14 0时电磁转矩方向示意图（力矩式）(a)发送机(b)接收机第29页，共34页。 在实际应用中，常会遇到一台发送机同时带动几台接收机并联运行，如船舶上的舵角指示器等。由于力矩式自整角机的输出转矩一般很小，通常只能带动指针类型的负载。因此为了提高自整角系统的负载能力和精确度，常采用另一种自整角系统，这种系统采用控制式自整角机。第30页，共34页。二、控制式自整角机 控制式自整角机是把力矩式接收机的转子绕组 从 电源上断开，作为输出绕组。其基本功能是发送机接 收到某一系统的机械转角信号后，将其转换为接收机 的电压信号输出。 1.接线方式 图6-15 图6-16 2.工作原