船舶电气设备及系统大连海事大学--控制用电机

船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室内容简介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：伺服电动机，测速发电机，自整角机和步进电动机。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。船舶电气设备及系统课件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轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电动机，又称执行电动机。按电流种类分，伺服电动机分为交流和直流两种。§6.1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1－转子，2－定子绕组，3－定子，4－内定子5－机壳，6－端盖。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组—励磁绕组和控制绕组，在空间相隔90。6.1.1交流伺服电动机励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构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励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。励磁绕组的接线UCU1I1U放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU船舶电气设备及系统课件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90，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。1UCU1I1U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。励磁绕组的接线UCU1I1U船舶电气设备及系统课件轮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和的相位差近90°，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。1I2I放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U2IU控制电压与电源电压两者频率相同，相位相同或反相。2UU船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室（1）U2=0时，转子停止。这时，虽然U2=0V，U1仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。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。交流伺服电动机的特点：原因：交流伺服电机R2设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)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当U2=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T、T的合成转矩T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U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）s'T210sTT'T021反转正转单相电动机T=f(s)s'T210sTT'T021反转正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（3）控制电压U2大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压U2成正比。U2的极性改变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机R2设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线(U1=const)nTTn202/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交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。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结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。6.1.2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直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：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由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。机械特性曲线nT船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室L2Teae2TCCRCUn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：船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室图6-8控制特性（T3T2T1）不同负载下，控制电压U2与转速n的关系。带负载起动时，控制电压必须达到一定值后，转子才能转动，对应电压值称为起动电压（Ust），0－Ust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1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。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。§6.2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6.2.1交流测速发电机异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。••••1转子定子励磁绕组输出绕组输出绕组2U+–励磁绕组1U1I1Φ+–船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室1I××·+1U－Φ1·Φ2励磁绕组输出绕组测速发电机静止时11U工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N11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1I××··+1U－－2U+Φ1×·Φ2n测速发电机旋转时当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割1产生转子感应电势E2和转子电流I2，它们的大小与1和转子转速n成正比：nEI122转子电流I2也产生磁通2，2在输出绕组中感应出电压U2，U2的大小与2成正比：22U船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室1I××··+1U－－2U+Φ1×·Φ2n测速发电机旋转时综合上述分析可知：nUnU112当U1恒定不变时，U2与n成正比，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。船舶电气设备及系统课件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，交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差，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，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。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室6.2.2直流测速发电机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RL。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；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U1励磁。他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E，其大小为：nKEE发电机的输出电压为：2a2a2IRnΦKIREUE上式中代入：L22RUI于是nRRΦKUEL2a1船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室可见，当励磁电压U1保持恒定时（亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比。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。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U2与转速n有一定的线性误差。RL越小、n越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求。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，转子是三相的。在应用中，自整角机总是成对使用，一个作为发送，一个作为接收。由于使用上的不同，有控制式和力矩式两种。§6.3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6.3.1控制式自整角机控制式自整角机又称为变压器式自整角机。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绕组，其输出电压的大小和相位与失调角δ=θ–θ'有关。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动势，而接收机定子三相绕组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过。这三个电流I1，I2和I3流经接收机的定子绕组，便在接收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理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置置成900，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δ=θ–θ'有关。它们的关系是UUm2sinUm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接收机J发送机FIa～θ1θ2aaE1aIaIacbbcIbIc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原理分析：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，与发送机三相整步绕组相交链而感应产生电动势。如果发送机三相整步绕组的某相（如A相）与磁励绕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mNfNkE44.4船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室如果发送机转子的位置角为1，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感应的电势的有效值分别为：)240cos()120cos(cos111111EEEEEEcbaθ1E1aE1bE1cΦ船舶电气设备及系统课件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Z1，自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2，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，那么三相整步绕组的回路电流分别为：1121211coscosIZZEZZEIaa)120cos()120cos(1121211IZZEZZEIbb)240cos()240cos(1121211IZZEZZEIcc船舶电气设备及系统课件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0)240cos()120cos(cos1110IIII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。船舶电气设备及系统课件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。自整角发送机每相磁势幅值为：)120cos()120cos(111mNbNbFNIkNIk