第 5章 自整角机第 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
5.4 带有,ZKC”的控制式自整角机
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第 5章 自整角机
5.1 自整角机的类型和用途自整角机属于自动控制系统中的测位用微特电机 。
测位用微特电机包括,自整角机,旋转变压器 (下一章讲 ),微型同步器,编码器等七类 。 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 。
第 5章 自整角机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)； 而成双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)。 前述电机定子三相绕组为
Y形接法,引出端符号分别为 D1,D2,D3,转子单相绕组引出端用 Z1和 Z2表示,如图 5 - 1
第 5章 自整角机图 5 - 1 自整角机电路图第 5章 自整角机有时力矩式自整角机还用到差动发送机 (国内,国际代号分别为 ZCF,TDX)和差动接收机 (代号分别为
ZCJ,TDR)。 差动发送机串接于,ZLF”和,ZLJ”之间,是将发送机 (即,ZLF”)转角及自身转角的和 (或差 )
转变为电信号,输至接收机 (即,ZLJ”)； 而差动接收机是串接于两个力矩式发送机 (即,ZLF”)之间,接收其电信号,并使自身转子转角为两发送机转角的和 (或差 )。 有关详情见 5.5 节 。
第 5章 自整角机有时控制式自整角机还用到控制式差动发送机 (国内,国际代号分别为 ZKC,CDX)。 控制式差动发送机串接于,ZKF”和,ZKB”之间,将发送机转角及其自身转角的和 (或差 )转变成电信号,输至自整角机变压器即,ZKB”。 差动式自整角机的定,转子绕组均为三相连接,而且均接成 Y形,它们的定,转子绕组引出端分别用 D1,D2,D3和 Z1,Z2,Z3表示,如图
5-2 所示。
第 5章 自整角机图 5 - 2 差动式自整角机电路图第 5章 自整角机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 3′～ 14′。 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 。
第 5章 自整角机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 0.5° ～ 2° 。 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图第 5章 自整角机
5.2 自整角机的基本结构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 。 自整角机的结构简图如图 5 - 4 所示 。 定子铁心是由冲有若干槽数的簿硅钢片叠压而成,图 5 - 5 表示定子铁心冲片 。 图 5 - 6 表示转子 (有隐极和凸极两种 )剖视图 。 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 )。
第 5章 自整角机图 5 - 4 自整角机结构简图第 5章 自整角机图 5 - 5 定子铁心冲片第 5章 自整角机图 5 – 6 自整角机转子第 5章 自整角机图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子第 5章 自整角机隐极式自整角机的定子和转子示意图如图 5 - 7 所示,其中沿定子内圆各槽内均匀分布有三个 (也可称为三相 )排列规律相同的绕组,每相绕组的匝数相等，
线径和绕组形式均相同,三相空间位置依次落后
120°,这种绕组就称之为三相对称绕组。 三相对称绕组可用图 5 -8 的示意图来简单解释。 设每相绕组集中成一个线圈,该线圈首,末端用 D1-D4表示,另两个线圈的首末端也就分别用 D2-D5 和 D3-D6表示。
为构成星形联接,将 D4,D5,D6短接在一起,首端
D1,Ｄ 2,D3则引出 (到接线板 ),如图 5 - 7 中的定子上的三根悬空线 。
第 5章 自整角机图 5 - 8 三相对称绕组示意图第 5章 自整角机自整角机的转子型式有隐极式和凸极式两种结构。
通常,ZKB”和,ZKC”采用隐极式转子,而,ZLF”
和,ZLJ”及,ZKF”则采用凸极式转子。 图 5 - 7(b)为控制式自整角机变压器 (ZKB)的转子结构图,它仅有一个绕组,称为自整角机的转子绕组； 图 5 - 9 所示是差动式自整角机的转子结构,该电机转子绕组也有三相星接的对称绕组。 为了使转子绕组与外电路相联接,在转子上装有集电环和电刷装置,集电环 (或叫滑环 )就是安装在轴 (图上右端处 )上的两个 (差动式自整角机为三个 )导电铜环。
第 5章 自整角机图 5 - 9 差动式自整角机的转子结构第 5章 自整角机当然两个 (或三个 )滑环之间,以及转轴和滑环之间都应绝缘 。 单相 (或三相 )转子绕组的两个 (或三个 )引线端分别焊接在两个 (或三个 )滑环上 。 电刷和滑环摩擦接触,
通过电刷滑环将转子绕组出线端可靠地引接到接线板上,
图 5 - 4 中的 Z1和 Z2就是接线板上的转子绕组的出线端 。
实际的接线板如图 5 - 10 中的第 9 号零件 。
第 5章 自整角机图 5 - 10 所示的是自整角机的基本结构。 由于这种自整角机的定,转子都装在一个机壳里,故也称为整体式结构。 为了表示内部结构,本图拆开画出。 还有一种分装式结构的自整角机,也就是定,转子是分开的,它们分别是在现场安装固定。 分装式自整角机的结构特点是电机外径较大,轴向长度较短,呈环状而非筒柱状。 这种分装式结构习惯上不直接将转子装在轴上,而是内孔较大,以便在现场与转轴装配。 但是,无论是整体式或是分装式,也无论是隐极转子或是凸极转子,它们的工作原理都是一致的。
第 5章 自整角机图 5 - 10 整体式自整角机的基本结构 (此图转子为凸极式 )
第 5章 自整角机
5.3 控制式自整角机的工作原理据前述,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。 以下我们以控制式自整角机,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 D′1,D′2,
D′3对应联接,被称为同步绕组或整步绕组。
第 5章 自整角机
ZKF的转子绕组 Z1,Z2端接交流电压 Uj产生励磁磁通密度,故称之为 励磁绕组 ； ZKB的转子绕组通过 Z′1,Z′2
端输出感应电势,故被称之为 输出绕组 。 图 5 - 11 的自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件下可以输出电势? 为便于分析起见,ZKF的转子单相绕组轴线相对定子 D1相绕组轴线的夹角用 θ1表示,
ZKB的输出绕组轴线相对 ZKB的定子 D′1相绕组轴线的夹角用 θ2表示,而且设图中的 θ2 > θ1 。 以下通过分析
ZKF的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理 。
第 5章 自整角机图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图第 5章 自整角机
5.3.1 转子励磁绕组产生的脉振磁场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 。
在这里结合自整角机的励磁磁场进行分析和讨论。
ZKF转子励磁绕组接通单相电压 后,励磁绕组将流过电流：
1U?
tIi fmf?s in?
(5 - 1)
第 5章 自整角机图 5 - 12 隐极转子励磁磁场分布第 5章 自整角机图 5 - 13 隐极转子励磁磁场展开图及 Bf(X)分布曲线第 5章 自整角机图 5 - 14 励磁电流和磁通密度分布曲线第 5章 自整角机单相基波脉振磁场 (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 )。 若把符合上述特点的单相脉振磁场写成瞬时值表达式,则
bp1 =Bm1sinωt cosX (5 - 2)
式中,bp1 为基波每相磁密瞬时值； Bm1 为基波每相电流达最大值时产生的磁密幅值； X为沿周长方向的空间弧度值 。
第 5章 自整角机
5.3.2 定子绕组的感应电流自整角机发送机转子上的励磁绕组通过电流 if 后，
将产上的相位彼此相同,而感应电势的大小则与转子绕组在空间的位置有关。 为便于分析,将图 5 - 11 中的,Ｚ KＦ,画成图 5 - 15,用以求出 D1相绕组所匝链的磁通。 而且仅用一匝线圈 Z1 - Z2 表示在转子上的励磁绕组,用另一匝线圈 D1 - D4 表示在定子上的 D1相绕组。
第 5章 自整角机图 5 – 15 定子绕组的感应电流第 5章 自整角机设此瞬时脉振磁通达到最大值 。 现把磁密空间矢量 Bf
分解成相互垂直的两个分量,第一分量是在定子绕组
D1 - D4 的轴线方向,其值用 Bfcosθ1表示； 第二分量是与 D1 - D4 线圈的轴线方向垂直,其值用 Bf sinθ1表示 。
设 Bf向量的方向与定子绕组 D1 - D4的轴线重合时,定子绕组 D1 - D4匝链全部的磁通 Φm,即一个极的磁通量,
但现在 D1 - D4绕组轴线方向的磁密为 Bf cosθ1,故绕组
D1 - D4所匝链的磁通必定为 Φm cosθ1。
第 5章 自整角机
Bf的第二个分量所对应的磁通是不匝链绕组 D1 - D4的,
因此,在任意 θ1角时,D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为：
Φ1=Φm cosθ1
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 (θ1+120° ),(θ1+240° )。 这样三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为第 5章 自整角机
Φ1=Φm cosθ1
Φ2=Φm cos(θ1+120° )
Φ3=Φm cos(θ1+240° )
(5 - 3)
第 5章 自整角机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,据第 4 章公式 (4 - 9),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=4.44fWsΦ1=E cosθ1
E2=4.44fWsΦ2=E cos(θ1+120° )
E3=4.44fWsΦ3=E cos(θ1+240° )
(5 - 4)
第 5章 自整角机式中,Ws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=4.44fＷ sΦm。
由于 ZKF和 ZKB的定子绕组对应联结,ZKF的定子三相电势必然在两定子形成的回路中产生电流 。 为了计算各相电流,暂设两电机定子绕组 Y接的中点 O、
O′之间有连接线,如图 5 - 16 所示的虚线 。 这样,各相回路就显而易见了 。
第 5章 自整角机图 5 - 16 定子绕组中的电流第 5章 自整角机以 D1相回路为例,设回路的总阻抗 ZZ为 ZKF和
ZKB的每相定子绕组阻抗 ZF,ZB及各联接线阻抗 Zi(由于实用中联接线较长 )之和,即
ZZ=ZF+ZB+Zi (5 - 5)
故流过 D1相回路中的电流有效值为,I1=E1/ZZ。
同理流过 D2,D3相回路中的电流有效值为,I2=E2/ZZ,
I3=E3/ZZ。 代入式 (5 - 4)则为第 5章 自整角机式中,I=E/ZZ为励磁磁通轴线和定子绕组轴线重合时定子某相电流的有效值,每相的最大电流有效值 。
)2 4 0c o s (
)2 4 0c o s (
)1 2 0c o s (
)1 2 0c o s (
c o s
c o s
1
13
3
1
12
2
1
11
1
I
Z
E
Z
E
I
I
Z
E
Z
E
I
I
Z
E
Z
E
I
ZZ
ZZ
ZZ
(5 - 6)
第 5章 自整角机由图 5 - 16 看出流出中线的电流 IO′O应该为 I1,I2,I3
之和,代入式 (5 - 6)后为,
IO′O =I cosθ1+I cos(θ1+120° )+I cos(θ1+240° )=0
上式表明,中线没有电流,因此就不必接中线,这也就是自整角机的定子绕组只有三根引出线的原因 。
第 5章 自整角机
5.3.3 定子电流产生的磁场自整角机发送机定子绕组流过电流时,也要产生定子磁场。 由于存在三相绕组,分别流过电流,
和,它们共同产生一个定子合成磁场。 我们先从某一相定子绕组感生电流所产生的磁场讲起,然后再将三个磁场合成,就得出了合成磁场的结论。
21 II
3I?
第 5章 自整角机实际的旋转电机 (含自整角机 )应为分布绕组,并非每相只一个线圈。 也就是说,自整角机的定子每相有若干个线圈均匀地嵌放于若干槽中,例如图 5 - 17(a)中的
D1相绕组中,每相每对极有三个线圈串联,每个线圈 (此例中 )仅为一匝 (也可以多匝而且一般都是多匝 ),导体号为 1,2,3,10,11,12位置的直线部分称之为有效边,有效边部分是嵌在定子铁心的槽内,如图 5 - 17(b)所示的对应位置。 线圈在定子铁心之外的部分是过渡线或引接线被称为端部。
第 5章 自整角机图中 1-10,2-11,3-12分别是一个线圈,亦即图中每对极每相中有三个元件 (线圈是组成绕组的元件 )组成了一个线圈组 。 每个线圈组感生电势,电流之后就要产生磁场 。 根据右螺旋定则,作出相应的磁力线,每条磁力线回路穿过定子和转子铁心以及两部分气隙,其方向如图 5 - 17(b)的虚线所示 。
第 5章 自整角机现将图 5 - 17(b)和图 5 - 12 比较,虽然图 5 - 12 是讨论转子槽内导体,图 5 - 17(b)是讨论定子槽内导体,但两图都是一相绕组流过一相电流,其结论应该相同,即定子
D1相绕组感生电流所产生的磁场也是一个空间上作余
(或正 )弦分布,时间上作正 (或余 )弦脉动的两极脉振磁场； 定子 D1相脉振磁场的振幅位置在该相绕组轴线上；
D1相脉振磁场可以用磁密空间矢量 表示。 同理,
定子的 D2,D3相绕组感生电流,后,也产生各自的脉振磁场或用磁密空间矢量,来表示。 以下用公式来作基本推导。
1B?
32 II
32 BB
第 5章 自整角机图 5 - 17 一相定子绕组及其所产生的磁场第 5章 自整角机据前述,定子绕组三相电流在时间上是同相位的,
假设电流初相角为 0°,各相电流有效值已经用式 5 - 6
确定,则三相电流的瞬时值如下：
tIi
tIi
tIi
s i n)240co s (2
s i n)120co s (2
s i nco s2
13
12
11
(5 - 7)
第 5章 自整角机自整角机气隙各点磁密总是与产生它的电流大小成正比。 电机内部磁通密度某瞬时分布曲线中各点大小也应与电流瞬时值大小成正比,亦即磁密空间矢量的长度 (即模值 )正比于电流的瞬时值大小。 因此三相定子磁密空间矢量,,的长度应为 (代入式 (5 - 7))
321 BBB
tBKiB
tBKiB
tBKiB
m
m
m
s i n)240co s (
s i n)120co s (
s i nco s
133
122
111
(5 - 8)
第 5章 自整角机图 5 - 18 定子磁场的合成和分解第 5章 自整角机
B1x =B1 cosθ1
B2x =B2 cos(θ1+120° )
B3x =B3 cos(θ1+240° )
B1y =-B1 sinθ1
B2y =-B2 sin(θ1+120° )
B3y =-B3 sin(θ1+240° )
第 5章 自整角机
x轴方向总的磁通密度矢量的长度为
Bx =B1x +B2x +B3x
=B1 cosθ1+B2 cos(θ1+120° )+B3 cos(θ1+240° )
把式 (5 - 8)代入上式,则得
Bx=Bm［ cos 2θ1+cos 2(θ1+120° )
+cos 2(θ1+240° )］ sinωt
利用三角函数中的倍角公式,
2
2c o s1c o s 1
1
2
第 5章 自整角机计算得
cos 2θ1+cos 2(θ1+120° )+cos 2(θ1+240° )=
2
3
tBB mx?s in23?
故 (5 - 9)
第 5章 自整角机
y轴方向总的磁通密度矢量的长度为
By =B1y +B2y +B3y
=-B1 sinθ1-B2 sin(θ1+120° )-B3 sin(θ1+240° )
=-Bm［ sinθ1 cosθ1+sin(θ1+120° ) cos(θ1+120° )
+sin(θ1+240° )cos(θ1+240° )］ sinωt
第 5章 自整角机利用三角函数中的倍角公式 sinθ1cosθ1=,便可以计算出上式方括号内三项之和等于零,故
By=0
因此,定子三相合成磁场为
B=Bx+By=Bx= 3/2 Bm sinωt (5 - 10)
2
2sin 1?
第 5章 自整角机由以上分析结果,概括如下结论：
(1) 定子三相合成磁密相量 在 x轴方向,即和励磁绕组轴线重合,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 θ1,因此定子合成磁场的轴线超前
D1相轴线 (180° -θ1)。
(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 θ1无关 。
B?
fB?
B?
第 5章 自整角机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。 可以认为 ZKF的励磁绕组属于变压器的原边 (因接电源 ),ZKF定子三相绕组作为变压器的副边,与它相联结形成回路的 ZKB定子三相绕组可作为 ZKF的对称电阻电感性负载。 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。
第 5章 自整角机图 5 - 19 控制式自整角发送机,变压器的定子合成磁场第 5章 自整角机
5.3.4 ZKB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 θ1时,励磁磁通在 D1相绕组中感应的变压器电势为：
E1=E cosθ1(由式 (5 - 4)得 )。 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 δ=θ2-θ1时,合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为
E2=E2max cosδ (5 - 11)
第 5章 自整角机式中,E2max 为 ZKB输出绕组感应电势有效值达到最大时的值,即输出绕组轴线与定子合成磁场轴线重合时的电势大小 。 由于 ZKF的励磁绕组外加电压 Uf一般为固定值,成对运行的自整角机的参数也不变,所以 E2max 是一个常数 。
第 5章 自整角机由式 (5 - 11)可以看出,变压器输出绕组电势的有效值与两转轴之间的差角 δ的余弦成正比。 当转角差
δ=0°,cosδ=1时,ZKB的转子输出电势 E2达最大； 而当
δ=90° 时,cosδ=0,则 E2=0。 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 中落后于 ZKB
定子合成磁场 90° 的位置为协调位置 (用 相量表示之 )； 并把 转子偏离此位置的角度定义为失调角 γ(注：
失调角也是随动系统中常用术语之一 )。 由图 5 - 18 明显可见 δ=90° -γ,代入式 (5 - 11)得
B tX?
第 5章 自整角机图 5 - 20 控制式自整角机的协调位置第 5章 自整角机
E2=E2max cos(90° -γ)=E2max sinγ (5 - 12)
上式说明自整角机变压器 (ZKB)的输出电势与失调角 γ的正弦成正比,其相应曲线形状如图 5 - 21 所示 。
图上若在 0° <γ<90° 的范围内,失调角 γ增加输出电势
E2也增大； 若 90° <γ<180° 时,输出电势 E2将随失调角 γ增大而减小； γ=180° 时,输出电势 E2又变为零 。
但是,当失调角 γ变负时,输出电势 E2的相位将变反 。
第 5章 自整角机图 5 - 21 控制式自整角机的输出电势第 5章 自整角机若 γ角用弧度作单位而且 γ角又很小时,数学上可以令 sinγ≈γ。 例如,在 γ=0° ～ 10° (即 0～ 0.174 53 rad)时,
用 γ代替 sinγ所造成的误差不大于 0.51%； 在 γ=0° ～ 20
时误差不大于 2.02%……。 因此,失调角 γ较小时,可近似认为公式 E2=E2max γ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。
第 5章 自整角机图 5 - 22 随动系统中的 ZKF-ZKB
第 5章 自整角机图 5 - 22 所示的随动系统中当 ZKB输出绕组接上交流放大器时,可认为输出绕组电压也为：
U 2=U 2max γ (5 - 13)
这个电压经放大后,送给交流伺服电动机,伺服电动机就带着接收轴转动,以缩小或消除转角差值,达到了接收轴和发送轴,自整角,或,自同步,的目的。
图中的,S,R”(包括 S′,R′)分别表示定子,转子绕组的引线端符号 (以前曾使用 D,E)。
第 5章 自整角机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 。
第 5章 自整角机
(4) ZKB的输出电势的有效值 E2=E2max sinγ,其中 γ叫失调角。 失调角 γ=90° -δ,γ角 是实际 ZKB转子绕组轴线 (从 Z2′到 Z1′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,U 2=U 2max γ,这里 γ的单位取弧度 (rad)。
tX?
第 5章 自整角机
5.3.5 控制式自整角机的主要技术指标之一 ——比电压输出电压和失调角的关系为 U2=U2max sinγ,在 γ角很小时,U2=U2max γ； 即此时可以用正弦曲线在 γ=0处的切线近似地代替该曲线,如图 5 - 23 所示 。 这条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 0.3～ 1 V/(° )。
由图 5 - 23 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 23 输出电压在 γ=0时的切线第 5章 自整角机
5.4 带有,ZKC”的控制式自整角机自整角机除了作成对 (ZKF和 ZKB)运行外,还可在
ZKF和 ZKB之间再接入控制式差动发送机即 ZKC作控制式运行 。 其目的是用来传递两个发送轴的角度和或角度差 。 第 5.2 节已说明差动式自整角机的结构特点,
转子采用隐极式结构,而且转子铁心的槽中放置有三相对称分布绕组,并通过三组集电环和电刷引出,参考图 5
- 9； 定子和普通自整角机完全相同,属三相对称绕组,
参考图 5 - 7(a)和图 5- 8。
第 5章 自整角机带有差动发送机 (ZKC)的控制式自整角机工作原理如图 5 - 24 所示 。 这里有两只发送机,一只是普通的自整角发送机 (ZKF),另一只则是控制式差动发送机 (ZKC)。
自整角变压器 (ZKB)用来输出电压 。 图中 ZKC的三相定子对称绕组引线端用 C1,C2,C3表示,其转子三相对称绕组用 C1′,C2′,C3′表示 。 转子绕组某相轴线与对应相的定子绕组轴线的夹角定义为差动发送机转轴输入角 θ2。
第 5章 自整角机图 5 - 24 ZKF-ZKC-ZKB的工作原理第 5章 自整角机此磁场作为 ZKB的励磁磁场,它与输出绕组轴线的夹角为 90° -(θ1-θ2),因此,输出电势为
E2=E2max cos［ 90° -(θ1-θ2)］
=E2max sin(θ1-θ2) (5 - 14)
第 5章 自整角机输出电势经放大器放大后,输给交流伺服电动机的控制绕组,伺服电动机就带着 ZKB转轴按顺时针方向转动 。 当转过 θ1-θ2角度时,由于 ZKB的励磁磁场磁密空间相量 与输出绕组轴线垂直,输出电势,电机就不再转动了 。 可见,通过这样一个系统可以实现两发送轴角度差的传递 。
B 02?E?
第 5章 自整角机如果 ZKC从初始位置按逆时针方向转过 θ2角 (ZKF仍按顺时针方向转过 θ1角 ),则 ZKB转过 θ1+θ2角,其分析方法同上,此时可实现两发送轴角度和的传送 。
下面以舰艇上火炮自动瞄准系统为例说明上述系统的应用。
第 5章 自整角机图 5 - 25 火炮相对于罗盘方位角的控制原理图第 5章 自整角机图 5 - 25是该系统的控制原理图 。 图中 ZKF,ZKC
和 ZKB的位置基本和图 5 - 24相对应,其中 θ1(取为 45° )
是 火炮目标 相对于正北方向的方位角,θ1作为自整角发送机 ZKF的输入角； θ2(取为 15° )是罗盘指针相对于舰头方向的角度 (也就 是舰的方位角 ),θ2作为 ZKC的输入角 。 则 ZKB的输出电势为
E2=E2max sin(θ1-θ2)=E2max sin30
第 5章 自整角机
5.5 力矩式自整角机的运行
5.5.1 力矩式自整角机的工作原理
ZLF-ZLJ的工作原理如图 5 - 26 所示 。 图中这一对力矩式自整角机的结构参数,尺寸等完全一样 。
我们假定图 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 δ角的位置,当忽略磁路饱和时,
我们可分别讨论 ZLF和 ZLJ单独励磁的作用,然后进行迭加 。
第 5章 自整角机
(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,这里仍用 来表示,如图 5 - 26所示。
fU?
fB?
B?
B?
B?
第 5章 自整角机
(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。
B
fB B
第 5章 自整角机图 5 - 26 力矩式自整角机的工作原理图第 5章 自整角机
(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：
B? B
B? B
第 5章 自整角机
① 一个分量 和转子绕组轴线一致,其长度用
Bcosδ表示 。 这样在转子绕组轴线方向上,定子合成磁密矢量的长度为 =B′-Bcosδ。 因为据前设定 B=B′,所以 Bd′=B′-B cosδ=B(1-cosδ),的实际方向与接收机励磁磁密 相反,即起去磁作用 。 当然,它不会使 ZLJ
的转子旋转 。
② 另一个分量 和转子绕组轴线垂直,其长度用
B sinδ表示,即 Bq=B sinδ。
dB?
dB
dB
fB
qB?
第 5章 自整角机图 5 – 27 载流线圈在合成磁场中所受到的力矩第 5章 自整角机
5.5.2 力矩式自整角机的失调角和协调位置力矩式自整角机的接收机 ZLJ转子在失调时能产生转矩 T来促使转子和发送机 ZLF转子协调,这个转矩是由电磁作用产生的,我们称之为 整步转矩 。 由于磁密
Bq=B sinδ起了关键作用,故整步转矩与 sinδ成正比,即
T=KB sinδ (5 - 15)
第 5章 自整角机因为 δ=0° 时,T=0,所以当 ZLJ的转子受到的转矩为零时,我们称自整角发送机与接收机处于协调位置 (用 相量表示 )；当 δ≠0°,T≠0时称自整角发送机与接收机失调。 δ角就称为失调角。 图 5 - 28 为整步转矩与失调角的关系图。
tLX?
第 5章 自整角机图 5 - 28 整步转矩与失调角的关系第 5章 自整角机当失调角很小时,可以证明,转矩与产生它的磁场成正比,再考虑到数学上 sinδ≈δ(δ单位取 rad),则认为：
T=KB sinδ=KBδ (5 - 16)
类似于控制式自整角机的比电压,当失调角为 1° (即
0.017 453 rad)时,力矩式自整角机所具有的整步转矩称为 比整步转矩,用 Tθ表示,即
Tθ=KB sin1° =0.017 453 KB。
第 5章 自整角机
5.5.3 减少振荡的措施结构上有的自整角接收机还装有阻尼装置 。 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 。 当发送机输入信号即转子很快转动一个较大的角度,使接收机与发送机的转子间失调角较大 (即整步转矩很大 )时,接收机转子将快速地跟随发送机转子转动 。
第 5章 自整角机按照式 5 - 16,当达到协调位置即 δ=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,从而使接收机倒转 。 反转后,又由于惯性,倒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 。
第 5章 自整角机当然,由环境空气阻力和轴上摩擦等的存在对振荡也有阻尼作用,使振荡逐渐衰减,但最有效的办法是在接收机中装设阻尼装置,可使自整角机在协调位置尽快稳定下来 。 为此,在自整角机的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 177° ± 2° 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 。
第 5章 自整角机
5.5.4 力矩式自整角机的应用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 。 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 29为测量水塔内水位第 5章 自整角机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 。
第 5章 自整角机
5.5.5 力矩式差动自整角机实际中除了使用力矩式发送机 (ZLF)和接收机 (ZLJ)
之外,有时还用力矩式差动发送机 (ZCF)或力矩式差动接收机 (ZCJ)。
力矩式差动发送机 (ZCF)的结构和控制式差动发送机 (ZKC)极为相似,转子采用隐极式,而且定,转子都有三相对称绕组 。 力矩式差动接收机 (ZCJ)除转子上带有机械阻尼器外,其余结构部分完全和,ZCF”一样 。
第 5章 自整角机图 5 - 30 ZLF-ZCF-ZLJ的工作原理第 5章 自整角机如果要求力矩式接收机 (ZLJ)显示两个输入角的
,和,或,差,时,则可以在发送机 ZLF与接收机 ZLJ
之间接一只力矩式差动发送机 (ZCF),如图 5 - 30所示 。
当发送机 ZLF转子从定子 D1相轴线 (一般作为基准轴线 )
转过 θ1角,差动发送机 ZCF转子从 C1相绕组轴线 (认为是电气零位的参考轴线 )转过 θ2角时,则根据前述的力矩式自整角机的工作原理,接收机 ZLJ必然从 D1′相轴线 (即电气零位线 )转过 θ1-θ2。
第 5章 自整角机对于角度前的正负号的确定原则是,逆时针转向取,+”
号,顺时针转向取,-”号 。 如图 5 - 30所示的接收机所指示的角度为 θ1-θ2,由于 θ2>θ1,其值为负值,因此接收机
ZLJ转子应顺时针转过 θ1-θ2角度 。
第 5章 自整角机也可以在两台力矩式发送机 ZLF之间接一台力矩式差动接收机 ZCJ,显示两个输入角的和或差,如图 5 - 31
所示。 类似前述分析方法,将图中 θ1角取,正,,θ2角取,负,值,则力矩式差动接收机 ZCJ指示角度为
θ1-(-θ2)=θ1+θ2,即 ZCJ转子将逆时针方向转过 θ1+θ2角。
第 5章 自整角机图 5 - 31 ZLF-ZCJ-ZLF
第 5章 自整角机
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 。
第 5章 自整角机
5.6.1 自整角机的型号和技术数据
1.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,根据型号就可大体了解这台电机的运行方式和尺寸大小 。 例如：
某一自整角机型号为,36ZKF01”
另一自整角机型号为,28ZKB02”
再一自整角机型号为,70ZLJ01”。
第 5章 自整角机以上三个型号中前两位数字 (由左向右排列 )表示机座号,数据大者电机直径大,反之直径小； 中间三个字母 (例如 ZKB)表示产品名称代号,本章第 1节中已经介绍过,每一种国内代号的含义,这里不再重复； 后两位数字表示性能参数序号。
第 5章 自整角机
2.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,例如,36ZKF01”的励磁电压为 115
V。
第 5章 自整角机
3,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 。
例如,36ZKF01”的最大输出电压为 90 V。 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,此时它的定子绕组连接如图 5 - 32或图 5 - 33所示 。
第 5章 自整角机图 5 - 32 求自整角变压器最大输出电压时定子绕组的一种接线图第 5章 自整角机图 5 - 33 求自整角变压器最大输出电压时定子绕组的另一种接线图第 5章 自整角机
4.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 。 例如,36ZKF01”的空载电流为 92
mA； 空载功率不大于 2 W。
5.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。 例如,36ZKF01”的开路输入阻抗为 1.25 kΩ。
第 5章 自整角机
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 。 例如,36ZKF01”的短路输出阻抗为不大于
150 Ω。
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 。 例如,12ZKF02”的开路输出阻抗为 60 Ω。
第 5章 自整角机表 5 - 1 控制式自整角机和力矩式自整角机的比较第 5章 自整角机思考题与习题
1,何为脉振磁场?它有何特点和性质?
2,自整角变压器的转子绕组能否产生磁势? 如果能,
请说明有何性质?
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
5.4 带有,ZKC”的控制式自整角机
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第 5章 自整角机
5.1 自整角机的类型和用途自整角机属于自动控制系统中的测位用微特电机 。
测位用微特电机包括,自整角机,旋转变压器 (下一章讲 ),微型同步器,编码器等七类 。 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 。
第 5章 自整角机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)； 而成双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)。 前述电机定子三相绕组为
Y形接法,引出端符号分别为 D1,D2,D3,转子单相绕组引出端用 Z1和 Z2表示,如图 5 - 1
第 5章 自整角机图 5 - 1 自整角机电路图第 5章 自整角机有时力矩式自整角机还用到差动发送机 (国内,国际代号分别为 ZCF,TDX)和差动接收机 (代号分别为
ZCJ,TDR)。 差动发送机串接于,ZLF”和,ZLJ”之间,是将发送机 (即,ZLF”)转角及自身转角的和 (或差 )
转变为电信号,输至接收机 (即,ZLJ”)； 而差动接收机是串接于两个力矩式发送机 (即,ZLF”)之间,接收其电信号,并使自身转子转角为两发送机转角的和 (或差 )。 有关详情见 5.5 节 。
第 5章 自整角机有时控制式自整角机还用到控制式差动发送机 (国内,国际代号分别为 ZKC,CDX)。 控制式差动发送机串接于,ZKF”和,ZKB”之间,将发送机转角及其自身转角的和 (或差 )转变成电信号,输至自整角机变压器即,ZKB”。 差动式自整角机的定,转子绕组均为三相连接,而且均接成 Y形,它们的定,转子绕组引出端分别用 D1,D2,D3和 Z1,Z2,Z3表示,如图
5-2 所示。
第 5章 自整角机图 5 - 2 差动式自整角机电路图第 5章 自整角机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 3′～ 14′。 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 。
第 5章 自整角机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 0.5° ～ 2° 。 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图第 5章 自整角机
5.2 自整角机的基本结构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 。 自整角机的结构简图如图 5 - 4 所示 。 定子铁心是由冲有若干槽数的簿硅钢片叠压而成,图 5 - 5 表示定子铁心冲片 。 图 5 - 6 表示转子 (有隐极和凸极两种 )剖视图 。 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 )。
第 5章 自整角机图 5 - 4 自整角机结构简图第 5章 自整角机图 5 - 5 定子铁心冲片第 5章 自整角机图 5 – 6 自整角机转子第 5章 自整角机图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子第 5章 自整角机隐极式自整角机的定子和转子示意图如图 5 - 7 所示,其中沿定子内圆各槽内均匀分布有三个 (也可称为三相 )排列规律相同的绕组,每相绕组的匝数相等，
线径和绕组形式均相同,三相空间位置依次落后
120°,这种绕组就称之为三相对称绕组。 三相对称绕组可用图 5 -8 的示意图来简单解释。 设每相绕组集中成一个线圈,该线圈首,末端用 D1-D4表示,另两个线圈的首末端也就分别用 D2-D5 和 D3-D6表示。
为构成星形联接,将 D4,D5,D6短接在一起,首端
D1,Ｄ 2,D3则引出 (到接线板 ),如图 5 - 7 中的定子上的三根悬空线 。
第 5章 自整角机图 5 - 8 三相对称绕组示意图第 5章 自整角机自整角机的转子型式有隐极式和凸极式两种结构。
通常,ZKB”和,ZKC”采用隐极式转子,而,ZLF”
和,ZLJ”及,ZKF”则采用凸极式转子。 图 5 - 7(b)为控制式自整角机变压器 (ZKB)的转子结构图,它仅有一个绕组,称为自整角机的转子绕组； 图 5 - 9 所示是差动式自整角机的转子结构,该电机转子绕组也有三相星接的对称绕组。 为了使转子绕组与外电路相联接,在转子上装有集电环和电刷装置,集电环 (或叫滑环 )就是安装在轴 (图上右端处 )上的两个 (差动式自整角机为三个 )导电铜环。
第 5章 自整角机图 5 - 9 差动式自整角机的转子结构第 5章 自整角机当然两个 (或三个 )滑环之间,以及转轴和滑环之间都应绝缘 。 单相 (或三相 )转子绕组的两个 (或三个 )引线端分别焊接在两个 (或三个 )滑环上 。 电刷和滑环摩擦接触,
通过电刷滑环将转子绕组出线端可靠地引接到接线板上,
图 5 - 4 中的 Z1和 Z2就是接线板上的转子绕组的出线端 。
实际的接线板如图 5 - 10 中的第 9 号零件 。
第 5章 自整角机图 5 - 10 所示的是自整角机的基本结构。 由于这种自整角机的定,转子都装在一个机壳里,故也称为整体式结构。 为了表示内部结构,本图拆开画出。 还有一种分装式结构的自整角机,也就是定,转子是分开的,它们分别是在现场安装固定。 分装式自整角机的结构特点是电机外径较大,轴向长度较短,呈环状而非筒柱状。 这种分装式结构习惯上不直接将转子装在轴上,而是内孔较大,以便在现场与转轴装配。 但是,无论是整体式或是分装式,也无论是隐极转子或是凸极转子,它们的工作原理都是一致的。
第 5章 自整角机图 5 - 10 整体式自整角机的基本结构 (此图转子为凸极式 )
第 5章 自整角机
5.3 控制式自整角机的工作原理据前述,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。 以下我们以控制式自整角机,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 D′1,D′2,
D′3对应联接,被称为同步绕组或整步绕组。
第 5章 自整角机
ZKF的转子绕组 Z1,Z2端接交流电压 Uj产生励磁磁通密度,故称之为 励磁绕组 ； ZKB的转子绕组通过 Z′1,Z′2
端输出感应电势,故被称之为 输出绕组 。 图 5 - 11 的自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件下可以输出电势? 为便于分析起见,ZKF的转子单相绕组轴线相对定子 D1相绕组轴线的夹角用 θ1表示,
ZKB的输出绕组轴线相对 ZKB的定子 D′1相绕组轴线的夹角用 θ2表示,而且设图中的 θ2 > θ1 。 以下通过分析
ZKF的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理 。
第 5章 自整角机图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图第 5章 自整角机
5.3.1 转子励磁绕组产生的脉振磁场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 。
在这里结合自整角机的励磁磁场进行分析和讨论。
ZKF转子励磁绕组接通单相电压 后,励磁绕组将流过电流：
1U?
tIi fmf?s in?
(5 - 1)
第 5章 自整角机图 5 - 12 隐极转子励磁磁场分布第 5章 自整角机图 5 - 13 隐极转子励磁磁场展开图及 Bf(X)分布曲线第 5章 自整角机图 5 - 14 励磁电流和磁通密度分布曲线第 5章 自整角机单相基波脉振磁场 (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 )。 若把符合上述特点的单相脉振磁场写成瞬时值表达式,则
bp1 =Bm1sinωt cosX (5 - 2)
式中,bp1 为基波每相磁密瞬时值； Bm1 为基波每相电流达最大值时产生的磁密幅值； X为沿周长方向的空间弧度值 。
第 5章 自整角机
5.3.2 定子绕组的感应电流自整角机发送机转子上的励磁绕组通过电流 if 后，
将产上的相位彼此相同,而感应电势的大小则与转子绕组在空间的位置有关。 为便于分析,将图 5 - 11 中的,Ｚ KＦ,画成图 5 - 15,用以求出 D1相绕组所匝链的磁通。 而且仅用一匝线圈 Z1 - Z2 表示在转子上的励磁绕组,用另一匝线圈 D1 - D4 表示在定子上的 D1相绕组。
第 5章 自整角机图 5 – 15 定子绕组的感应电流第 5章 自整角机设此瞬时脉振磁通达到最大值 。 现把磁密空间矢量 Bf
分解成相互垂直的两个分量,第一分量是在定子绕组
D1 - D4 的轴线方向,其值用 Bfcosθ1表示； 第二分量是与 D1 - D4 线圈的轴线方向垂直,其值用 Bf sinθ1表示 。
设 Bf向量的方向与定子绕组 D1 - D4的轴线重合时,定子绕组 D1 - D4匝链全部的磁通 Φm,即一个极的磁通量,
但现在 D1 - D4绕组轴线方向的磁密为 Bf cosθ1,故绕组
D1 - D4所匝链的磁通必定为 Φm cosθ1。
第 5章 自整角机
Bf的第二个分量所对应的磁通是不匝链绕组 D1 - D4的,
因此,在任意 θ1角时,D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为：
Φ1=Φm cosθ1
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 (θ1+120° ),(θ1+240° )。 这样三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为第 5章 自整角机
Φ1=Φm cosθ1
Φ2=Φm cos(θ1+120° )
Φ3=Φm cos(θ1+240° )
(5 - 3)
第 5章 自整角机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,据第 4 章公式 (4 - 9),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=4.44fWsΦ1=E cosθ1
E2=4.44fWsΦ2=E cos(θ1+120° )
E3=4.44fWsΦ3=E cos(θ1+240° )
(5 - 4)
第 5章 自整角机式中,Ws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=4.44fＷ sΦm。
由于 ZKF和 ZKB的定子绕组对应联结,ZKF的定子三相电势必然在两定子形成的回路中产生电流 。 为了计算各相电流,暂设两电机定子绕组 Y接的中点 O、
O′之间有连接线,如图 5 - 16 所示的虚线 。 这样,各相回路就显而易见了 。
第 5章 自整角机图 5 - 16 定子绕组中的电流第 5章 自整角机以 D1相回路为例,设回路的总阻抗 ZZ为 ZKF和
ZKB的每相定子绕组阻抗 ZF,ZB及各联接线阻抗 Zi(由于实用中联接线较长 )之和,即
ZZ=ZF+ZB+Zi (5 - 5)
故流过 D1相回路中的电流有效值为,I1=E1/ZZ。
同理流过 D2,D3相回路中的电流有效值为,I2=E2/ZZ,
I3=E3/ZZ。 代入式 (5 - 4)则为第 5章 自整角机式中,I=E/ZZ为励磁磁通轴线和定子绕组轴线重合时定子某相电流的有效值,每相的最大电流有效值 。
)2 4 0c o s (
)2 4 0c o s (
)1 2 0c o s (
)1 2 0c o s (
c o s
c o s
1
13
3
1
12
2
1
11
1
I
Z
E
Z
E
I
I
Z
E
Z
E
I
I
Z
E
Z
E
I
ZZ
ZZ
ZZ
(5 - 6)
第 5章 自整角机由图 5 - 16 看出流出中线的电流 IO′O应该为 I1,I2,I3
之和,代入式 (5 - 6)后为,
IO′O =I cosθ1+I cos(θ1+120° )+I cos(θ1+240° )=0
上式表明,中线没有电流,因此就不必接中线,这也就是自整角机的定子绕组只有三根引出线的原因 。
第 5章 自整角机
5.3.3 定子电流产生的磁场自整角机发送机定子绕组流过电流时,也要产生定子磁场。 由于存在三相绕组,分别流过电流,
和,它们共同产生一个定子合成磁场。 我们先从某一相定子绕组感生电流所产生的磁场讲起,然后再将三个磁场合成,就得出了合成磁场的结论。
21 II
3I?
第 5章 自整角机实际的旋转电机 (含自整角机 )应为分布绕组,并非每相只一个线圈。 也就是说,自整角机的定子每相有若干个线圈均匀地嵌放于若干槽中,例如图 5 - 17(a)中的
D1相绕组中,每相每对极有三个线圈串联,每个线圈 (此例中 )仅为一匝 (也可以多匝而且一般都是多匝 ),导体号为 1,2,3,10,11,12位置的直线部分称之为有效边,有效边部分是嵌在定子铁心的槽内,如图 5 - 17(b)所示的对应位置。 线圈在定子铁心之外的部分是过渡线或引接线被称为端部。
第 5章 自整角机图中 1-10,2-11,3-12分别是一个线圈,亦即图中每对极每相中有三个元件 (线圈是组成绕组的元件 )组成了一个线圈组 。 每个线圈组感生电势,电流之后就要产生磁场 。 根据右螺旋定则,作出相应的磁力线,每条磁力线回路穿过定子和转子铁心以及两部分气隙,其方向如图 5 - 17(b)的虚线所示 。
第 5章 自整角机现将图 5 - 17(b)和图 5 - 12 比较,虽然图 5 - 12 是讨论转子槽内导体,图 5 - 17(b)是讨论定子槽内导体,但两图都是一相绕组流过一相电流,其结论应该相同,即定子
D1相绕组感生电流所产生的磁场也是一个空间上作余
(或正 )弦分布,时间上作正 (或余 )弦脉动的两极脉振磁场； 定子 D1相脉振磁场的振幅位置在该相绕组轴线上；
D1相脉振磁场可以用磁密空间矢量 表示。 同理,
定子的 D2,D3相绕组感生电流,后,也产生各自的脉振磁场或用磁密空间矢量,来表示。 以下用公式来作基本推导。
1B?
32 II
32 BB
第 5章 自整角机图 5 - 17 一相定子绕组及其所产生的磁场第 5章 自整角机据前述,定子绕组三相电流在时间上是同相位的,
假设电流初相角为 0°,各相电流有效值已经用式 5 - 6
确定,则三相电流的瞬时值如下：
tIi
tIi
tIi
s i n)240co s (2
s i n)120co s (2
s i nco s2
13
12
11
(5 - 7)
第 5章 自整角机自整角机气隙各点磁密总是与产生它的电流大小成正比。 电机内部磁通密度某瞬时分布曲线中各点大小也应与电流瞬时值大小成正比,亦即磁密空间矢量的长度 (即模值 )正比于电流的瞬时值大小。 因此三相定子磁密空间矢量,,的长度应为 (代入式 (5 - 7))
321 BBB
tBKiB
tBKiB
tBKiB
m
m
m
s i n)240co s (
s i n)120co s (
s i nco s
133
122
111
(5 - 8)
第 5章 自整角机图 5 - 18 定子磁场的合成和分解第 5章 自整角机
B1x =B1 cosθ1
B2x =B2 cos(θ1+120° )
B3x =B3 cos(θ1+240° )
B1y =-B1 sinθ1
B2y =-B2 sin(θ1+120° )
B3y =-B3 sin(θ1+240° )
第 5章 自整角机
x轴方向总的磁通密度矢量的长度为
Bx =B1x +B2x +B3x
=B1 cosθ1+B2 cos(θ1+120° )+B3 cos(θ1+240° )
把式 (5 - 8)代入上式,则得
Bx=Bm［ cos 2θ1+cos 2(θ1+120° )
+cos 2(θ1+240° )］ sinωt
利用三角函数中的倍角公式,
2
2c o s1c o s 1
1
2
第 5章 自整角机计算得
cos 2θ1+cos 2(θ1+120° )+cos 2(θ1+240° )=
2
3
tBB mx?s in23?
故 (5 - 9)
第 5章 自整角机
y轴方向总的磁通密度矢量的长度为
By =B1y +B2y +B3y
=-B1 sinθ1-B2 sin(θ1+120° )-B3 sin(θ1+240° )
=-Bm［ sinθ1 cosθ1+sin(θ1+120° ) cos(θ1+120° )
+sin(θ1+240° )cos(θ1+240° )］ sinωt
第 5章 自整角机利用三角函数中的倍角公式 sinθ1cosθ1=,便可以计算出上式方括号内三项之和等于零,故
By=0
因此,定子三相合成磁场为
B=Bx+By=Bx= 3/2 Bm sinωt (5 - 10)
2
2sin 1?
第 5章 自整角机由以上分析结果,概括如下结论：
(1) 定子三相合成磁密相量 在 x轴方向,即和励磁绕组轴线重合,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 θ1,因此定子合成磁场的轴线超前
D1相轴线 (180° -θ1)。
(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 θ1无关 。
B?
fB?
B?
第 5章 自整角机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。 可以认为 ZKF的励磁绕组属于变压器的原边 (因接电源 ),ZKF定子三相绕组作为变压器的副边,与它相联结形成回路的 ZKB定子三相绕组可作为 ZKF的对称电阻电感性负载。 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。
第 5章 自整角机图 5 - 19 控制式自整角发送机,变压器的定子合成磁场第 5章 自整角机
5.3.4 ZKB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 θ1时,励磁磁通在 D1相绕组中感应的变压器电势为：
E1=E cosθ1(由式 (5 - 4)得 )。 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 δ=θ2-θ1时,合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为
E2=E2max cosδ (5 - 11)
第 5章 自整角机式中,E2max 为 ZKB输出绕组感应电势有效值达到最大时的值,即输出绕组轴线与定子合成磁场轴线重合时的电势大小 。 由于 ZKF的励磁绕组外加电压 Uf一般为固定值,成对运行的自整角机的参数也不变,所以 E2max 是一个常数 。
第 5章 自整角机由式 (5 - 11)可以看出,变压器输出绕组电势的有效值与两转轴之间的差角 δ的余弦成正比。 当转角差
δ=0°,cosδ=1时,ZKB的转子输出电势 E2达最大； 而当
δ=90° 时,cosδ=0,则 E2=0。 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 中落后于 ZKB
定子合成磁场 90° 的位置为协调位置 (用 相量表示之 )； 并把 转子偏离此位置的角度定义为失调角 γ(注：
失调角也是随动系统中常用术语之一 )。 由图 5 - 18 明显可见 δ=90° -γ,代入式 (5 - 11)得
B tX?
第 5章 自整角机图 5 - 20 控制式自整角机的协调位置第 5章 自整角机
E2=E2max cos(90° -γ)=E2max sinγ (5 - 12)
上式说明自整角机变压器 (ZKB)的输出电势与失调角 γ的正弦成正比,其相应曲线形状如图 5 - 21 所示 。
图上若在 0° <γ<90° 的范围内,失调角 γ增加输出电势
E2也增大； 若 90° <γ<180° 时,输出电势 E2将随失调角 γ增大而减小； γ=180° 时,输出电势 E2又变为零 。
但是,当失调角 γ变负时,输出电势 E2的相位将变反 。
第 5章 自整角机图 5 - 21 控制式自整角机的输出电势第 5章 自整角机若 γ角用弧度作单位而且 γ角又很小时,数学上可以令 sinγ≈γ。 例如,在 γ=0° ～ 10° (即 0～ 0.174 53 rad)时,
用 γ代替 sinγ所造成的误差不大于 0.51%； 在 γ=0° ～ 20
时误差不大于 2.02%……。 因此,失调角 γ较小时,可近似认为公式 E2=E2max γ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。
第 5章 自整角机图 5 - 22 随动系统中的 ZKF-ZKB
第 5章 自整角机图 5 - 22 所示的随动系统中当 ZKB输出绕组接上交流放大器时,可认为输出绕组电压也为：
U 2=U 2max γ (5 - 13)
这个电压经放大后,送给交流伺服电动机,伺服电动机就带着接收轴转动,以缩小或消除转角差值,达到了接收轴和发送轴,自整角,或,自同步,的目的。
图中的,S,R”(包括 S′,R′)分别表示定子,转子绕组的引线端符号 (以前曾使用 D,E)。
第 5章 自整角机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 。
第 5章 自整角机
(4) ZKB的输出电势的有效值 E2=E2max sinγ,其中 γ叫失调角。 失调角 γ=90° -δ,γ角 是实际 ZKB转子绕组轴线 (从 Z2′到 Z1′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,U 2=U 2max γ,这里 γ的单位取弧度 (rad)。
tX?
第 5章 自整角机
5.3.5 控制式自整角机的主要技术指标之一 ——比电压输出电压和失调角的关系为 U2=U2max sinγ,在 γ角很小时,U2=U2max γ； 即此时可以用正弦曲线在 γ=0处的切线近似地代替该曲线,如图 5 - 23 所示 。 这条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 0.3～ 1 V/(° )。
由图 5 - 23 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 23 输出电压在 γ=0时的切线第 5章 自整角机
5.4 带有,ZKC”的控制式自整角机自整角机除了作成对 (ZKF和 ZKB)运行外,还可在
ZKF和 ZKB之间再接入控制式差动发送机即 ZKC作控制式运行 。 其目的是用来传递两个发送轴的角度和或角度差 。 第 5.2 节已说明差动式自整角机的结构特点,
转子采用隐极式结构,而且转子铁心的槽中放置有三相对称分布绕组,并通过三组集电环和电刷引出,参考图 5
- 9； 定子和普通自整角机完全相同,属三相对称绕组,
参考图 5 - 7(a)和图 5- 8。
第 5章 自整角机带有差动发送机 (ZKC)的控制式自整角机工作原理如图 5 - 24 所示 。 这里有两只发送机,一只是普通的自整角发送机 (ZKF),另一只则是控制式差动发送机 (ZKC)。
自整角变压器 (ZKB)用来输出电压 。 图中 ZKC的三相定子对称绕组引线端用 C1,C2,C3表示,其转子三相对称绕组用 C1′,C2′,C3′表示 。 转子绕组某相轴线与对应相的定子绕组轴线的夹角定义为差动发送机转轴输入角 θ2。
第 5章 自整角机图 5 - 24 ZKF-ZKC-ZKB的工作原理第 5章 自整角机此磁场作为 ZKB的励磁磁场,它与输出绕组轴线的夹角为 90° -(θ1-θ2),因此,输出电势为
E2=E2max cos［ 90° -(θ1-θ2)］
=E2max sin(θ1-θ2) (5 - 14)
第 5章 自整角机输出电势经放大器放大后,输给交流伺服电动机的控制绕组,伺服电动机就带着 ZKB转轴按顺时针方向转动 。 当转过 θ1-θ2角度时,由于 ZKB的励磁磁场磁密空间相量 与输出绕组轴线垂直,输出电势,电机就不再转动了 。 可见,通过这样一个系统可以实现两发送轴角度差的传递 。
B 02?E?
第 5章 自整角机如果 ZKC从初始位置按逆时针方向转过 θ2角 (ZKF仍按顺时针方向转过 θ1角 ),则 ZKB转过 θ1+θ2角,其分析方法同上,此时可实现两发送轴角度和的传送 。
下面以舰艇上火炮自动瞄准系统为例说明上述系统的应用。
第 5章 自整角机图 5 - 25 火炮相对于罗盘方位角的控制原理图第 5章 自整角机图 5 - 25是该系统的控制原理图 。 图中 ZKF,ZKC
和 ZKB的位置基本和图 5 - 24相对应,其中 θ1(取为 45° )
是 火炮目标 相对于正北方向的方位角,θ1作为自整角发送机 ZKF的输入角； θ2(取为 15° )是罗盘指针相对于舰头方向的角度 (也就 是舰的方位角 ),θ2作为 ZKC的输入角 。 则 ZKB的输出电势为
E2=E2max sin(θ1-θ2)=E2max sin30
第 5章 自整角机
5.5 力矩式自整角机的运行
5.5.1 力矩式自整角机的工作原理
ZLF-ZLJ的工作原理如图 5 - 26 所示 。 图中这一对力矩式自整角机的结构参数,尺寸等完全一样 。
我们假定图 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 δ角的位置,当忽略磁路饱和时,
我们可分别讨论 ZLF和 ZLJ单独励磁的作用,然后进行迭加 。
第 5章 自整角机
(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,这里仍用 来表示,如图 5 - 26所示。
fU?
fB?
B?
B?
B?
第 5章 自整角机
(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。
B
fB B
第 5章 自整角机图 5 - 26 力矩式自整角机的工作原理图第 5章 自整角机
(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：
B? B
B? B
第 5章 自整角机
① 一个分量 和转子绕组轴线一致,其长度用
Bcosδ表示 。 这样在转子绕组轴线方向上,定子合成磁密矢量的长度为 =B′-Bcosδ。 因为据前设定 B=B′,所以 Bd′=B′-B cosδ=B(1-cosδ),的实际方向与接收机励磁磁密 相反,即起去磁作用 。 当然,它不会使 ZLJ
的转子旋转 。
② 另一个分量 和转子绕组轴线垂直,其长度用
B sinδ表示,即 Bq=B sinδ。
dB?
dB
dB
fB
qB?
第 5章 自整角机图 5 – 27 载流线圈在合成磁场中所受到的力矩第 5章 自整角机
5.5.2 力矩式自整角机的失调角和协调位置力矩式自整角机的接收机 ZLJ转子在失调时能产生转矩 T来促使转子和发送机 ZLF转子协调,这个转矩是由电磁作用产生的,我们称之为 整步转矩 。 由于磁密
Bq=B sinδ起了关键作用,故整步转矩与 sinδ成正比,即
T=KB sinδ (5 - 15)
第 5章 自整角机因为 δ=0° 时,T=0,所以当 ZLJ的转子受到的转矩为零时,我们称自整角发送机与接收机处于协调位置 (用 相量表示 )；当 δ≠0°,T≠0时称自整角发送机与接收机失调。 δ角就称为失调角。 图 5 - 28 为整步转矩与失调角的关系图。
tLX?
第 5章 自整角机图 5 - 28 整步转矩与失调角的关系第 5章 自整角机当失调角很小时,可以证明,转矩与产生它的磁场成正比,再考虑到数学上 sinδ≈δ(δ单位取 rad),则认为：
T=KB sinδ=KBδ (5 - 16)
类似于控制式自整角机的比电压,当失调角为 1° (即
0.017 453 rad)时,力矩式自整角机所具有的整步转矩称为 比整步转矩,用 Tθ表示,即
Tθ=KB sin1° =0.017 453 KB。
第 5章 自整角机
5.5.3 减少振荡的措施结构上有的自整角接收机还装有阻尼装置 。 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 。 当发送机输入信号即转子很快转动一个较大的角度,使接收机与发送机的转子间失调角较大 (即整步转矩很大 )时,接收机转子将快速地跟随发送机转子转动 。
第 5章 自整角机按照式 5 - 16,当达到协调位置即 δ=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,从而使接收机倒转 。 反转后,又由于惯性,倒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 。
第 5章 自整角机当然,由环境空气阻力和轴上摩擦等的存在对振荡也有阻尼作用,使振荡逐渐衰减,但最有效的办法是在接收机中装设阻尼装置,可使自整角机在协调位置尽快稳定下来 。 为此,在自整角机的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 177° ± 2° 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 。
第 5章 自整角机
5.5.4 力矩式自整角机的应用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 。 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 。
第 5章 自整角机图 5 - 29为测量水塔内水位第 5章 自整角机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 。
第 5章 自整角机
5.5.5 力矩式差动自整角机实际中除了使用力矩式发送机 (ZLF)和接收机 (ZLJ)
之外,有时还用力矩式差动发送机 (ZCF)或力矩式差动接收机 (ZCJ)。
力矩式差动发送机 (ZCF)的结构和控制式差动发送机 (ZKC)极为相似,转子采用隐极式,而且定,转子都有三相对称绕组 。 力矩式差动接收机 (ZCJ)除转子上带有机械阻尼器外,其余结构部分完全和,ZCF”一样 。
第 5章 自整角机图 5 - 30 ZLF-ZCF-ZLJ的工作原理第 5章 自整角机如果要求力矩式接收机 (ZLJ)显示两个输入角的
,和,或,差,时,则可以在发送机 ZLF与接收机 ZLJ
之间接一只力矩式差动发送机 (ZCF),如图 5 - 30所示 。
当发送机 ZLF转子从定子 D1相轴线 (一般作为基准轴线 )
转过 θ1角,差动发送机 ZCF转子从 C1相绕组轴线 (认为是电气零位的参考轴线 )转过 θ2角时,则根据前述的力矩式自整角机的工作原理,接收机 ZLJ必然从 D1′相轴线 (即电气零位线 )转过 θ1-θ2。
第 5章 自整角机对于角度前的正负号的确定原则是,逆时针转向取,+”
号,顺时针转向取,-”号 。 如图 5 - 30所示的接收机所指示的角度为 θ1-θ2,由于 θ2>θ1,其值为负值,因此接收机
ZLJ转子应顺时针转过 θ1-θ2角度 。
第 5章 自整角机也可以在两台力矩式发送机 ZLF之间接一台力矩式差动接收机 ZCJ,显示两个输入角的和或差,如图 5 - 31
所示。 类似前述分析方法,将图中 θ1角取,正,,θ2角取,负,值,则力矩式差动接收机 ZCJ指示角度为
θ1-(-θ2)=θ1+θ2,即 ZCJ转子将逆时针方向转过 θ1+θ2角。
第 5章 自整角机图 5 - 31 ZLF-ZCJ-ZLF
第 5章 自整角机
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 。
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5.6.1 自整角机的型号和技术数据
1.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,根据型号就可大体了解这台电机的运行方式和尺寸大小 。 例如：
某一自整角机型号为,36ZKF01”
另一自整角机型号为,28ZKB02”
再一自整角机型号为,70ZLJ01”。
第 5章 自整角机以上三个型号中前两位数字 (由左向右排列 )表示机座号,数据大者电机直径大,反之直径小； 中间三个字母 (例如 ZKB)表示产品名称代号,本章第 1节中已经介绍过,每一种国内代号的含义,这里不再重复； 后两位数字表示性能参数序号。
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2.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,例如,36ZKF01”的励磁电压为 115
V。
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3,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 。
例如,36ZKF01”的最大输出电压为 90 V。 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,此时它的定子绕组连接如图 5 - 32或图 5 - 33所示 。
第 5章 自整角机图 5 - 32 求自整角变压器最大输出电压时定子绕组的一种接线图第 5章 自整角机图 5 - 33 求自整角变压器最大输出电压时定子绕组的另一种接线图第 5章 自整角机
4.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 。 例如,36ZKF01”的空载电流为 92
mA； 空载功率不大于 2 W。
5.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。 例如,36ZKF01”的开路输入阻抗为 1.25 kΩ。
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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 。 例如,36ZKF01”的短路输出阻抗为不大于
150 Ω。
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 。 例如,12ZKF02”的开路输出阻抗为 60 Ω。
第 5章 自整角机表 5 - 1 控制式自整角机和力矩式自整角机的比较第 5章 自整角机思考题与习题
1,何为脉振磁场?它有何特点和性质?
2,自整角变压器的转子绕组能否产生磁势? 如果能,
请说明有何性质?
