船舶电气设备及系统大连海事大学 第06章 控制用电机

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1、船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6.1 伺服电动机伺服电动机6.2 测速发电机测速发电机 6.3 自整角机自整角机 6.4 步进电动机步进电动机 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室控制电机主要用于自动控制系统中作为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。其任务检测、比较、放大和执行元件。其任务是转换和传递控制信号。是转换和传递控制信号。本章将介绍几种常用的控制电机：伺服本章将介绍几种常用的控制电机：伺服电动机，测速发电机，自整角机和步进电动机，测速发电机，自整角机和步进电动机。电动机

2、。 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电动机，动机，又称执行电动机。又称执行电动机。按电流种类分，按电流种类分，伺伺服电动机分为交流和直流两种。服电动机分为交流和直流两种。6.1 伺服电动机伺服电动机船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1转子，2定子绕组，3定子，4内定子5机壳，6端盖

3、。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室原理原理与两相交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 。6.1.1 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 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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UCU1I1U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的

4、接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2IU船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便，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。转动起来。 1UCU1I1U例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量例：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。关系如图所示。励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮

5、机学院电气及自动化教研室 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 的相位差近的相位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。子转动起来。1I2I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2U2IU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。2UU船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（1）U2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止。这时，虽然这时，虽然U2 = =0V，U1仍存在，似

6、乎成单相运行状态，但仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。和单相异步机不同。若单相电机启动运行后，出现单相后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。仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以在设计得较大。所以在U2=0时，交时，交流伺服电机的流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图：曲线如下页图：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距时，脉动磁场分成的正反

7、向旋转磁场产生的转距T 、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同。合成转矩的方与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，时，能立即停止，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，无控制电压有控制电压时转动，无控制电压时不转时不转) )，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转单相电动机单相电动机T=f(s)T=f(s)sT210sTTT021反转反转正转正转船舶电气设备及系统 课

8、 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（3 3）控制电压）控制电压 U U2 2 大小变化时，转子转速相应变化，转速与电大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压压 U U2 2 成正比。成正比。U U2 2 的极性改变时，转子的转向改变。的极性改变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机交流伺服电机 R2 2设计得较大，使设计得较大，使Sm m1，Tstst大，启动迅速，大，启动迅速，稳定运行范围大。稳定运行范围大。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 )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn202/

9、XRsm船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 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0.1-100 W0.1-100 W，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 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相同。

10、与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。6.1.2直流伺服电动机直流伺服电动机船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：一样：TKKRKUnTEaE22船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室由机械特性可知：由机械特性可知：(1)(1)U1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的

11、负载下，）不变时，一定的负载下，U2 , ,n 。(2)(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。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。机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室L2Teae2TCCRCUn3.控制特性控制特性 伺服电动机在固定的负载下，控制信号电压伺服电动机在固定的负载下，控制信号电压U2的大小与转速的大小与转速n之间的关系称作控制特性，又之间的关系称作控制特性，又称调节特性。称调节特性。 在电动机稳定运行时，电磁转矩在电动机稳定运行时，

12、电磁转矩T = TL，机，机械特性的表达式为：械特性的表达式为：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室图图6-8 控制特性（控制特性（T3T2T1） 不同负载下，控制电压不同负载下，控制电压U2与转速与转速n的关系。的关系。 带负载起动时，控制电带负载起动时，控制电压必须达到一定值后，转压必须达到一定值后，转子才能转动，对应电压值子才能转动，对应电压值称为起动电压（称为起动电压（Ust），），0Ust 为失灵区或称死区。为失灵区或称死区。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常

13、用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，它的输出功率一般为在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。制等。应用：应用：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 船舶上常用测速发电机（直流或交流）、转速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转

14、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。有调节电阻，以适配不同距离的应用场合之需。6.2 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的发电机。成电信号的发电机。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交

15、流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。一个是输出绕组。 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组输出输出绕组绕组2U+励磁励磁绕组绕组1U1I1+船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 1I+1U12励磁绕组输出绕组测速发电机静止时11U 工作时，测速发电机工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电的励磁绕组接交流电源源U1，由，由 U1 4.44 f1N1 1 可知：可知：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 1I+1U2U +

16、12n测速发电机旋转时 当被测转动轴带动发电当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割机转子旋转时，转子切割 1产生转子感应电势产生转子感应电势E2和转子和转子电流电流I2，它们的大小与，它们的大小与 1和和转子转速转子转速 n 成正比：成正比：nEI122 转子电流转子电流 I2也产生磁通也产生磁通 2 ， 2 在输出绕组中感在输出绕组中感应出电压应出电压U2 ， U2的大小与的大小与 2 2成正比：成正比：22U船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 1I+1U2U +12n测速发电机旋转时综合上述分析可知：综合上述分析可知：nUnU112 当当U

17、U1 1恒定不变时，恒定不变时，U U2 2与与n 成正成正比，这样，发电机就把被测比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。压信号，输出给控制系统。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非线性误差，间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。使用时要注意加以修正。 空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比，空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比，具有

18、结构简单、工作可靠等优点，是目前较为理想的具有结构简单、工作可靠等优点，是目前较为理想的测速元件。测速元件。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压加直流电压U1励磁。励磁。他他励式直流测速

19、发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势生电动势E，其大小为：，其大小为：nKE E 发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：2a2a2 IRnKIREUE 上式中代入：上式中代入：L22RUI 于是于是nRRKUEL2a1 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（ 亦亦恒定恒定），若若Ra

20、、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与电枢转速与电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转变这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。成了电压信号，输出给控制系统。0nU2RL2RL1RL= RL2RL1船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应

21、使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，转子是三相的。转子是三相的。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，一个作为，一个作为发送发送，一个，一个作为作为接收接收。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

22、式两种。6.3 自整角机自整角机 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6.3.1 控制式自整角机控制式自整角机控制式自整角机又称为控制式自整角机又称为变压器式自整角机变压器式自整角机。发送机的转子绕组作。发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出绕组，其输出电压的大小和相位与失调角绕组，其输出电压的大小和相位与失调角 = 有关。有关。由于发送机励磁绕组的脉动磁由于发送机励磁绕组的脉动磁通在定子三相绕组中感应有电通在定子三相绕组中感应有电动势，而接收机定子三相绕组动势

23、，而接收机定子三相绕组中却没有感应电动势，所以在中却没有感应电动势，所以在定子三相回路中总是有电流通定子三相回路中总是有电流通过。这三个电流过。这三个电流I1，I2和和 I3流经流经接收机的定子绕组，便在接收接收机的定子绕组，便在接收机的转子绕组中感应出电压。机的转子绕组中感应出电压。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置置成置成900，那么，接收机转子单相绕组的输出电压，那么，接收机转子单相绕组的输出电压U2的大小和相位与失调角的大小和相位与失调角 = 有关。它

24、们的关系是有关。它们的关系是UUm2sinUm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 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 接 收 机 J 发 送 机 F Ia 1 2 a a E1a Ia Ia c b b c Ib Ic 原理分析原理分析：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室原理分析原理分析： 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流电流当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流电流时，产生的是正弦分布的脉振磁场，与发送机时，产生的是正弦分布的脉振磁场，与发送机三相整步绕组相交链而感应产生电动势。如果三相整步绕组相交链而感

25、应产生电动势。如果发送机三相整步绕组的某相（如发送机三相整步绕组的某相（如A A相）与磁励绕相）与磁励绕组的轴线重合作为起始位置，那么此时该相的组的轴线重合作为起始位置，那么此时该相的感应电动势，其有效值为感应电动势，其有效值为mNfNkE44. 4船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 如果发送机转子的位置角为如果发送机转子的位置角为 1，如图所示，那么由，如图所示，那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整步绕组中发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为感应的电势的有效值分别为：)240cos()120cos(cos111

26、111EEEEEEcba1E1aE1bE1c船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z Z1 1，自整角变，自整角变压器每相整步绕组的阻抗为压器每相整步绕组的阻抗为Z Z2 2，为了便于分析，把两台，为了便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的星点连接起来，那么三相整自整角机的三相整步绕组的星点连接起来，那么三相整步绕组的回路电流分别为：步绕组的回路电流分别为：1121211coscosIZZEZZEIaa)120cos()120cos(1121211IZZEZZEIbb)240cos

27、()240cos(1121211IZZEZZEIcc船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相整步绕组星点连线中的电流为三相整步绕组星点连线中的电流为0)240cos()120cos(cos1110IIII连线中并没有电流，实际线路中并不需要连接，连线中并没有电流，实际线路中并不需要连接，分析时连接只不过为了便于分析而已。分析时连接只不过为了便于分析而已。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应产生，又因控制式自整角发送机和

28、自整角变压器的每相产生，又因控制式自整角发送机和自整角变压器的每相整步绕组回路的阻抗都相同，因而整步绕组的每一相绕整步绕组回路的阻抗都相同，因而整步绕组的每一相绕组回路的电流是同频同相位的，那么其合成磁势为空间组回路的电流是同频同相位的，那么其合成磁势为空间分布的脉振磁势。分布的脉振磁势。自整角发送机每相磁势幅值为自整角发送机每相磁势幅值为：)120cos()120cos(111mNbNbFNIkNIkF111coscosmNaNaFNIkNIkF)240cos()240cos(111mNcNcFNIkNIkF船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室为了分

29、析的方便，通常把整步绕组中三个空间脉振磁为了分析的方便，通常把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴分量和交轴分量，励磁绕组为直轴，也势分解为直轴分量和交轴分量，励磁绕组为直轴，也称称d d轴，交轴与直轴在空间相差轴，交轴与直轴在空间相差9090 ，称为，称为q q轴。轴。那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势为那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势为)240cos()120cos(cos1111111cbadFFFF船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室)120cos()120cos(cos1111111cbadFFFF1I1aI1bI1cF

30、1)120cos(11mbFF11cosmaFF)240cos(11mcFFmmmmmdFFFFFF23)240(cos)120(cos(cos)240(cos)120(coscos1212121212121船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室12111221121112sin43cossin23cos41sin23cos21)120sin(sin)120cos(cos)120(cos1211122112111212sin43cossin23cos41sin23cos21)120sinsin120cos(cos)120(cos)240(cos23sin

31、23cos23)240(cos)120(coscos1212121212船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室0)240sin()240cos()120sin()120cos(sincos)240sin()120sin(sin1111111111111mmmcbadFFFFFFF交轴分量的磁通势为交轴分量的磁通势为上述公式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合上述公式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势成磁势没有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势是一个直轴磁势，与励磁绕组同轴，与是一个直轴磁势，与励磁绕组同轴，与

32、 1 1无关。无关。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 自整角变压器的三相绕组电流就是发送机绕自整角变压器的三相绕组电流就是发送机绕组电流，组电流，只不过对发送机而言，电流是只不过对发送机而言，电流是“流流出出”的，对于接收机（自整角变压器）而言，的，对于接收机（自整角变压器）而言，电流是电流是“流入流入”的，如图所示的，如图所示, ,因而在接收机因而在接收机整步绕组中产生的磁通势整步绕组中产生的磁通势F F1 1与与F F1 1大小相等，大小相等，方向相反，也与方向相反，也与 1 1无关。无关。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮

33、机学院电气及自动化教研室 Uf 12aE1aIacbbcIbIcF11a1=1-212F1船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室自整角变压器的输出电势：自整角变压器的输出电势： 如果自整角变压器的转子转角如果自整角变压器的转子转角 2等于自整角发等于自整角发送机的转子转角送机的转子转角 1，则自整角变压器三相绕，则自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势Em的值最大，如果的值最大，如果 21，自整角变压器定子合，自整角变压器定子合

34、成磁势与转子输出绕组轴线夹角为成磁势与转子输出绕组轴线夹角为 = 1- 2，如图所示，此时转子输出绕组感生的电动势如图所示，此时转子输出绕组感生的电动势为：为：E2 = Emcos( 1 2) = Emcos 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 由上式知，自整角变压器输出电压（电势）为失调角由上式知，自整角变压器输出电压（电势）为失调角 的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。（1）当随动系统处于协调位置（即失调角）当随动系统处于协调位置（即失调角 =0）时，希）时，希望自整角变压器的输出电压为望自整角

35、变压器的输出电压为0，当，当0时，才有电压时，才有电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电动机旋信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电动机旋转以清除转以清除 ，但如按图工作，那么，在失调角为但如按图工作，那么，在失调角为0时，时，自整角变压器输出电压反而最大，自整角变压器输出电压反而最大， 增大，输出电压增大，输出电压反而减小，与实际需要相反。反而减小，与实际需要相反。（2）失调角）失调角 是有方向的，是顺时针还是反时针是必须是有方向的，是顺时针还是反时针是必须明确的，即明确的，即 的正负值是表明方向的，但上述系统中的正负值是表明方向的，但上述系统中不管不管 为正还是为负，其输出的电压都

36、是正的，因为为正还是为负，其输出的电压都是正的，因为Ecos(- )=Ecos .船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 为了解决上述问题，为了解决上述问题，在实际使用的系统在实际使用的系统中，自整角发送机的中，自整角发送机的a a相定子绕组线作相定子绕组线作直轴，其转子绕组以直轴作起始位置，直轴，其转子绕组以直轴作起始位置，而把自整角变压器转子输出绕组放在交而把自整角变压器转子输出绕组放在交轴上，事实上，把自整角变压器的转子轴上，事实上，把自整角变压器的转子由原来的协调位置（由原来的协调位置（ =0=0）处旋转）处旋转9090 作作为起始位置，那么输出

37、绕组感应电动势为起始位置，那么输出绕组感应电动势 E E2 2 = E= Em m( ( -90-90 ) =E) =Em msinsin 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 空载时，输出电压空载时，输出电压U U2 2=E=E2 2，负载时，输出电压下降，负载时，输出电压下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角变若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角变压器输出电压下降不大。压器输出电压下降不大。自整角变压器的输出电压自整角变压器的输出电压U U2 2随失调角随失调角 变化的曲线如图变化的曲线如图所示。所示。自整角变压器在协调位置即自整角

38、变压器在协调位置即 =0=0时，输出电压为时，输出电压为0 0，当，当 =1=1 时输出的电压值叫比电压时输出的电压值叫比电压U U0 0，比电压越大，控制，比电压越大，控制系统越灵敏。系统越灵敏。 U2 U2m -180 0 180 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其功能是同步传递角度其功能是同步传递角度 （电子轴）（电子轴）6.3.2 力矩式自整角机力矩式自整角机发送机发送机 接受机接受机在发送机中，这三个电动势在发送机中，这三个电动势分别为分别为 ， 和和 。在接。在接收机中，分别为收机中，分别为 ， 和和 。Es1Es3Es2Es2Es31

39、 sE船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室发送机发送机 接受机接受机当两转子具有相同位置时当两转子具有相同位置时，即，即 时，时， 。因而不产生电流，也没有电磁转。因而不产生电流，也没有电磁转矩，矩，两电机静止不动两电机静止不动。 ,11ssEE,22ssEE33ssEE船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当发送机的转子转动一个角度后，当发送机的转子转动一个角度后， 。两电机。两电机 绕绕组中的各相电动势不再平衡，因而产生电流，在磁场组中的各相电动势不再平衡，因而产生电流，在磁场的将产生转矩。总是力图使两转子的

40、位置趋向一致。的将产生转矩。总是力图使两转子的位置趋向一致。接收机的转子在转矩的作用下产生了随动动作，直接收机的转子在转矩的作用下产生了随动动作，直至至 ，实现了转角随动的作用实现了转角随动的作用。 发送机发送机 接受机接受机船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 Uf 1aE1acbbcF11a12F12FfFfF22Ff12FfF2原理分析原理分析：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 当发送机的转子转角为当发送机的转子转角为 1，接收机转子转角为，接收机转子转角为 2，在上述假设条件下，在上述假设条件下，力

41、矩式自整角机工作力矩式自整角机工作时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加势的线性叠加。力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产生的。为分析自整角机的力矩，我互作用而产生的。为分析自整角机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁势是如何产生转矩的。们先来看看直轴、交轴磁势是如何产生转矩的。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 q F d q d d F F F F F F q

42、F (a ) (b ) (c ) (d ) (e )1）、直轴、交轴磁势是如何产生转矩的：）、直轴、交轴磁势是如何产生转矩的：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室A A：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的也：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁力是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁力F F的方的方向如图所示，显然不会产生转矩。同样的图向如图所示，显然不会产生转矩。同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下也不会产生转矩。下也不会产生转矩。B B：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产

43、生的是：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在水平位置，生顺时针力矩，最终使线圈停在水平位置，两磁势的轴线重合，同样的，图是产生直轴两磁势的轴线重合，同样的，图是产生直轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受到逆时磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受到逆时针的转矩。针的转矩。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与交综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使两磁势磁轴磁势能够产生转矩，转矩

44、的方向是使两磁势磁轴线靠拢。轴线靠拢。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2 2）、力矩自整角机的力矩及方向：）、力矩自整角机的力矩及方向：在接收机中，在接收机中，F F2 2与励磁磁势与励磁磁势F Ff f是同是同轴磁势，故不会产生力矩，而轴磁势，故不会产生力矩，而F F1 1与与F Ff f轴线的夹角即失调角轴线的夹角即失调角 = = 1 1- - 2 2，不同轴的磁势则产生转，不同轴的磁势则产生转矩：若把矩：若把F F2 2作直轴，那么可把作直轴，那么可把F F1 1分为直轴分量分为直轴分量F F1 1coscos 交轴分量交轴分量F F1 1s

45、insin ，如图所示。，如图所示。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直轴分量与直轴分量与F Ff f同轴不产生转同轴不产生转矩，交轴分量矩，交轴分量F F1 1sinsin 则与则与F Ff f产生转矩，此转矩称为整产生转矩，此转矩称为整步转矩。若步转矩。若 =90=90 时产生的最时产生的最大整步转矩为大整步转矩为T Tm m，那接收机，那接收机所产生的整步转矩可以表达所产生的整步转矩可以表达为为 T=TT=Tm msinsin 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室q由此可见由此可见, ,力矩式自整角机和

46、控制式自整角机的力矩式自整角机和控制式自整角机的区别在于区别在于: :自整角机控制系统中，当失调角产生自整角机控制系统中，当失调角产生时，时，q力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统。负载较大，则采用控制式自整角机系统。q自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动输出

47、，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角速后带动机械负载转动，直到消除失调角。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室应用实例应用实例 舵角指示器示意图 自整角机传令钟 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室机理：机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动

48、机械移动一小段距离。机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：特点：(1)(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。6.4 步进电动机步进电动机 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室种类种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的

49、转子上电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。没有励磁线圈。1 定子铁心定子铁心 , 2 定子控制绕组定子控制绕组, 3转自铁心转自铁心 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1. 结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及

50、自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室定子的六个磁极上定子的六个磁极上有控制绕组，两个有控制绕组，两个相对的磁极组成一相对的磁极组成一相。相。注意：注意：这里的相这里的相和三相交流电中和三相交流电中的的“相相”的概念的概念不同。步进机通不同。步进机通的是直流电脉冲，的是直流电脉冲，这主要是指线图这主要是指线图的联接和组数的的联接和组数的区别。区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2. 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六

51、拍、三相双三拍等。一一. . 三相单三拍三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 正转正转反转反转船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（3）工作过程）工作过程A 相通电，相通电，A 方向的磁通经转子形成方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁子被磁化，吸引转子，使

52、转子的位置化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。定子的齿对齐停止转动。A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A A相通电位置转相通电位置转3030 ；C相通电再转相通电再转3030 。1C342CABBA3030 船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院

53、电气及自动化教研室 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过每来一个电脉冲，转子转过 3030 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相双三拍三相

54、双三拍 通电顺序为通电顺序为ABBCCA ABBCCA 或反之或反之ACCBBA ACCBBA 由于双三拍控制每次有二相绕由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。通电，所以工作比较稳定。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角

55、) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相六拍三相六拍 通电顺序为通电顺序为 AABBBCCCAA AABBBCCCAA 或反之，或反之，AACCCBBBA AACCCBBBA 它比三相三拍控制方式步距角小一半，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。被大量采用。660360ffn步矩角步矩角 、频率、

56、频率 、和转速、和转速 n n 的关系：的关系：f船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室mZr360 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：得步距角计算公式：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 A A B B C C 定定子子 转转

57、子子 绕绕组组 实用步进电机的步距实用步进电机的步距角多为角多为3 和和1.5 。为了。为了获得小步距角，电机的获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿定子、转子都做成多齿的，如图所示。图中转的，如图所示。图中转子表面有子表面有40个齿，个齿，齿距齿距角是角是9 9 ； 定子仍是定子仍是 6 6个磁极，个磁极，但每个磁极表面加工有但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。五个和转子一样的齿。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的要求，才能保证电机产生步进运动。要求，

58、才能保证电机产生步进运动。当当A相极面下的定、转子齿对齐时，相极面下的定、转子齿对齐时，B和和C极面下的齿极面下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿，即就分别和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。度。7ABCt326t31t326t316t327船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A

59、相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍

60、由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 3 （2 2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/31/3个个 齿（齿（3 3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为称为N:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数,即即通电通电状态循环一周需要改变的次数状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数：转子齿数NZrS360如：如：Zr=40 , N=3 时时3340

61、360S拍数：拍数：N=kmk=1 1 单拍制单拍制2 2 双拍制双拍制m:m:相数相数步距角步距角船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 转速转速每输入一个脉冲，电机转过每输入一个脉冲，电机转过NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZfnsrr即转过整个圆周的即转过整个圆周的1/(Z1/(Zr rN N）, , 也就是也就是1/(Z1/(Zr rN N）转）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。越少时，步进电动机的转速越高。船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室应用：应用：船舶电气设备及系统 课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室作业：作业：5-2,5-4,5-7,5-12,5-2,5-4,5-7,5-12,5-13,5-14,5-19,5-20 5-13,5-14,5-19,5-20 6-1,6-2,6-36-1,6-2,6-3