第三章_自整角机

1、第第3章章 自整角机自整角机3.1 概述概述 3.2 力矩式自整角机力矩式自整角机 3.3 阻尼绕组阻尼绕组3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用 3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理 3.6 控制式自整角机的差动运行控制式自整角机的差动运行 3.7 控制式自整角机的性能指标控制式自整角机的性能指标3.8 自整角机的选择和使用自整角机的选择和使用3.1 概述概述 自整角机是一种感应机电元件，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

2、保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。 自整角机的功能与分类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 自整角机的功能与分类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

3、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。 自整角机的功能与分类自整角机的功能与分类 3.2 力矩式自整角机的结构力矩式自整角机的结构和运行原理和运行原理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3-1自整角机定、转子结构搭配一、一、 力矩式力矩式自整角机的结构自整角机的结构一、力矩式一、力矩式自整角机的结构自整角机的结构励磁绕组：单相、集中绕组、直接套在凸极铁心上。整步绕组：三相

4、、分布绕组并接成星形、放在隐极 结构铁心的槽内。第一种结构形式适用于容量较小的指示远距离角度传输系统中。第二种结构形式常用于容量较大系统中。 3.2 力矩式自整角机的结构力矩式自整角机的结构和运行原理和运行原理图3-2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 一、力矩式一、力矩式自整角机的结构自整角机的结构二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能1.力矩式自整角机力矩式自整角机整步绕组的电势、电流整步绕组的电势、电流图3-3力矩式自整角机的原理图 21称为失调角称为失调角二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的

5、运行性能当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)120cos()120cos(cos222222mcmbma)120cos()120cos(cos111111EEEEEEcbaZLF)120cos()120cos(cos111111mcmbma)120cos()120cos(cos222222EEEEEEcbaZLJ二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能发送机和接收机的整步绕组各相回路中的合成电势为：2sin2sin22112EEEEaaa2sin)1202sin(202112EEEEbbb2sin)1202s

6、in(202112EEEEccc二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能2sin)1202sin(2sin)1202sin(22sin)1202sin(2sin)1202sin(22sin2sin2sin2sin20210210210212121IZEZEIIZEZEIIZEZEIaaccaabbaaaa在ZLF与ZLJ的整步绕组回路中产生电流 二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能2.磁势磁势每相、每对极整步绕组基波磁势的幅值为：2sin)1202sin(242402121NKIKNIFFbbb2sin2sin24242121NKIKNIFFaaa2si

7、n)1202sin(242402121NKIKNIFFccc二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能发送机：)120sin()120cos()120sin()120cos(sincos111111111111ccqccdbbqbbdaaqaadFFFFFFFFFFFFd轴方向磁势分量为)1 (43)120cos()120cos(cos1111111conFFFFFmcbadq轴方向磁势分量为sin43)120sin()120sin(sin1111111mcbaqFFFFF二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能 合成磁势2sin231mFF 合成磁势与交轴的

8、夹角：21二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能接收机d轴方向磁势分量为)1 (432conFFmdq轴方向磁势分量为sin432mqFF合成磁势2sin232mFF 合成磁势与交轴的夹角22二、二、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能结论：结论：1.发送机和接收机中的直轴磁势分量、交轴 磁势分量和合成磁势的大小与发送机和接收机的位置无关，仅为失调角的函数。2.直轴电枢反应为去磁作用。3.发送机和接收机整步绕组磁势的直轴分量大小相等、方向相同；交轴分量大小相等方向相反。4.发送机和接收机整步绕组的合成磁势，当失调角很小时，它在空间位置上几乎和交轴重合。二、二、

9、 力矩式自整角机力矩式自整角机的运行性能的运行性能2.力矩式自整角机力矩式自整角机整步绕组的转矩整步绕组的转矩整步转矩：整步转矩：力矩式自整角机工作在同步状态，失调角为力矩式自整角机工作在同步状态，失调角为时，时，作用在电机轴上的电磁转矩即为整步转矩。作用在电机轴上的电磁转矩即为整步转矩。图3-4转子电流与定子磁场相互作用产生转矩2.力矩式自整角机力矩式自整角机整步绕组的转矩整步绕组的转矩sin1194. 0222qqqRXXEfTsin1217222qqqRXXEfT整步绕组的转矩整步绕组的转矩单位：单位：N.m单位：单位：g.cm结论：整步转矩与失调角呈正弦函数关系结论：整步转矩与失调角呈

10、正弦函数关系问题：为什么力矩式自整角机在整步转矩的作用下，问题：为什么力矩式自整角机在整步转矩的作用下，失调角会逐渐减小，直到协调位置？失调角会逐渐减小，直到协调位置？2.力矩式自整角机力矩式自整角机整步绕组的转矩整步绕组的转矩比整步转矩：比整步转矩：自整角发送机和接收机在失调角为自整角发送机和接收机在失调角为1时时所产生的整步转矩。所产生的整步转矩。2221194. 0qqqRXXEfT单位：单位：N.m/rad222310084. 2qqqRXXEfT单位：单位：N.m/（）（）2222 .21qqqRXXEfT单位：单位：g.cm/（）（）当失调角当失调角很小时很小时2221194. 0

11、qqqRXXEfT2.力矩式自整角机力矩式自整角机整步绕组的转矩整步绕组的转矩结论：（1）整步转矩与失调角呈正弦函数关系； （2）比整步转矩与励磁电压成正比；比整步转矩与励磁电压成正比； （3） 比整步转矩与整步绕组的阻抗有关。比整步转矩与整步绕组的阻抗有关。 三、三、力矩式自整角机的主要技术指标力矩式自整角机的主要技术指标 1静态误差静态误差S 发送机处于停转或转速很低的同步运转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

12、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。 T 2比整步转矩比整步转矩 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 KKT01745. 01sin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。 3零位误差零位误差0 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。 abEbcEcaE但是由于设计、工艺、材料

13、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。 三、三、力矩式自整角机的主要技术指标力矩式自整角机的主要技术指标三、三、力矩式自整角机的主要技术指标力矩式自整角机的主要技术指标 4阻尼时间阻尼时间Dt 指强迫接收机转子失调(1772) ，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。 3.3 阻尼绕组为了提高比整步转矩，获得合理的参数配置常在力矩式接收机的转子上装设交轴阻尼绕组。（1）尽可能减小整步绕组的交轴短路电阻；

14、（2）使整步绕组的交轴短路阻抗和短路电阻相等。阻尼绕组凸极式转子的阻尼绕组隐极式转子的阻尼绕组单阻尼绕组双阻尼绕组隐极式转子装两个正交的绕组隐极式转子装三相对称的绕组力矩式接收机的转子上装设交轴阻尼绕组的作用是什么？力矩式接收机的转子上装设交轴阻尼绕组的作用是什么？3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用 并联的接收机受下列因素的影响：（1）比整步转矩的降低；（2）接收机的误差增大，精度降低；（3）自整角发送机的温升增高；（4）自整角机整步绕组之间引起环流。3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用 2sin2sin2sin2sin121212121211

15、IZnZEZnZEIqqqqaan台同型号接收机台同型号接收机发送机中a 相整步绕组电流为：接受机中a 相整步绕组电流为：2sin2sin11211InInIana整步绕组回路中电势和电流之间的相位角为：22122121)1()1(1sinqqqqqqRnRXnXXnX3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用 各接受机中的比整步转矩为：22122121232212212123)()()(210084. 2)1()1()1(210084. 2qqqqqqqqqqqqnRRnXXnXXnEfRnRXnXXnXnEfT3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用

16、若发送机和接收机的型号相同则121210084. 222223nTnRXXEfTqqqn发送机和接收机成对工作时2121123110084. 2qqqRXXEfT2222223210084. 2qqqRXXEfT3.4 多台自整角接收机的并联使用多台自整角接收机的并联使用n台同型号接收机接到同一台不同型号的发送机上台同型号接收机接到同一台不同型号的发送机上12212TnTTTTn结论：接收机接并联工作时，每台接收机的比整步转矩结论：接收机接并联工作时，每台接收机的比整步转矩会随接收机台数增加而减少。会随接收机台数增加而减少。3.5 控制式自整角机控制式自整角机一、控制式自整角机控制式自整角机的

17、结构的结构控制式自整角控制式自整角发送发送机机和力矩式发送和力矩式发送机机结构很相近。只是结构很相近。只是控制式自整角控制式自整角发送发送机机比力矩式发送比力矩式发送机机具有较高的空载输具有较高的空载输入阻抗，因而励磁绕组的匝数较多，磁密较低。入阻抗，因而励磁绕组的匝数较多，磁密较低。1.控制式自整角控制式自整角发送发送机机2.控制式自整角控制式自整角变压器变压器为了提高电气精度，降低零位电压，为了提高电气精度，降低零位电压，控制式自整角控制式自整角变压器变压器均采用隐极转子结构，并在转子上装设单相高精度的正弦均采用隐极转子结构，并在转子上装设单相高精度的正弦绕组作为输出绕组。绕组作为输出绕组

18、。控制式自整角控制式自整角变压器定子铁心上放置三相整步绕组，具有变压器定子铁心上放置三相整步绕组，具有较高空载输入阻抗。较高空载输入阻抗。3.5 控制式自整角机控制式自整角机采用隐极结构的优点：1.可以降低从发送方取用的励磁电流，有利于多台自整角变压器与发送机的并联。2.可以避免由于气隙磁通发生畸变而影响输出绕组的电势。3.消除了失调角存在时自整角变压器的转子自动跟随发送机保持协调位置的任何趋势。 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

19、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。 3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理二、二、控制式自整角控制式自整角的运行性能的运行性能 图3-5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fB)120cos()120cos(cos111111mcmbma)120cos

20、()120cos(cos111111EEEEEEcba3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理)120cos(Z)120cos()120cos(Z)120cos(cosZcos111111111IEZEIIEZEIIEZEIccbbaa在在ZKF与与ZKB的整步绕组回路中产生电流的整步绕组回路中产生电流 ，3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理二、二、自整角自整角变压器整步绕组的磁势变压器整步绕组的磁势)120()120(242401012conFconNKIKNIFmbb1122424conFconNKIKNIFmaa)120()120(242401012c

21、onFconNKIKNIFmcc3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理自整角变压器d轴方向磁势分量为conFFmd232q轴方向磁势分量为sin232mqFF合成磁势mFF232合成磁势与直轴的夹角 图3-6 自整角机定、转子磁场关系3.5 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理由上面的分析结果，可得出结论由上面的分析结果，可得出结论：1.自整角变压器整步绕组中的直轴磁势分量、交轴磁势分量大小与发送机和接收机的位置无关，仅为失调角的函数。2. 合成磁势的大小与失调角无关，空间位置则由失调角决定。3. 合成磁势的空间位置总是与发送机转子的空间位置相对应。三、三、ZKB

22、的输出电动势的输出电动势cos2344. 42222mmUconFKfNEUsin)90cos(222mmUUU若将转子由原先规定的起始协调位置转过90电角度 图3-7 控制式自整角机的协调位置当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 21三、三、ZKB的输出电动势的输出电动势综合以上分析将控制式自整角机的工作原理归纳如下：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

23、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 。(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。A02E2m2UU sin22mUU 四、四、控制式自整角机的主要技术指标控制式自整角机的主要技术指标1电气误差电气误差e 2零位电压零位电压0U 2mme 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50180 mV的残余电压。 控制式自整角机的零位电压 控制自整角机的实际转子转角与理论值的差值即为电气误

24、差3比电压比电压U 1UZKB在协调位置附近单位失调角（取）时的输出电压称为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 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220。 四、四、控制式自整角机的主要技术指标控制式自整角机的主要技术指标五、五、 自整角机的选择和使用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。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 （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400 Hz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）选用自整角变压器时，应选输入阻抗较高的产品，以减轻发送