控制電機中國礦大信電學院第5章

自整角機5.1自整角機概述5.2自整角機的基本結構5.3自整角機的工作原理和基本特點5.5自整角機的應用舉例第5章自整角機5.4自整角機主要性能指標和技術數據5.6力矩式自整角機第5章自整角機本章要求：熟練掌握控制式自整角機的工作原理及其工作特點。掌握控制式自整角機接收機輸出繞組的位置、輸出繞組電勢與失調角的關系。掌握力矩式自整角機的工作特點、靜態整步轉矩與失調角的關系、比整步轉矩等。掌握自整角發送機與接收機成對使用的特點，了解自整角機的應用。5.1

概述

自整角機是自動控制系統中的同步元件。利用兩臺或多臺自整角機在電路上的聯系，可以使相隔一定距離、機械上互不連接的兩根或多根轉軸保持同步旋轉或產生相同的轉角變化。

與發送軸（即主動軸）耦合的自整角機稱為發送機；與接收軸（即被動軸）耦合的自整角機稱為接收機。21變速器前置放大器信號處理直流放大器可控硅控制線路電源雷達雷達接收器測速發電機直流伺服電動機自整角機發送機手輪功率變換器接收機自整角機按其使用要求不同，可分為控制式自整角機和力矩式自整角機。控制式自整角接收機輸出的是與兩軸轉角差成一定關系的電壓，該電壓控制交流伺服電動機去帶動被動軸旋轉，故能帶動較大負載。由于接收機工作在變壓器狀態，故通常稱為自整角變壓器。力矩式接收機直接輸出力矩并帶動負載，但帶載能力差，只能帶動指針、刻度盤等輕負載，常用于角度傳輸精度要求不很高的指示系統中。自整角機按結構形式不同可分為接觸式和無接觸式兩大類。雷達高低角自動顯示系統原理圖1.自整角接收機2.自整角發送機3.交流伺服電動機4.放大器5.刻度盤6.減速器<U~Uj~123456E2雷達高低角系統是如何進行工作的？思考：自整角機工作錄象1~Uj

Z1Z2D1D2D3

5.2

自整角機的基本結構定子：鐵心，三相對稱繞組；接成Y。轉子：鐵心，單相繞組。通過電刷和滑環與外電路連接。5.3

控制式自整角機的工作原理

一、激磁磁場自整角機的激磁磁場，是一個磁場軸線在空間固定于激磁繞組軸線上，磁通密度分布曲線的幅值隨時間交變的脈振磁場。12~Uj

Z1Z2E0D1D2D3D’1D’2Z’1Z’2自整角機工作原理圖D’3脈振磁場特點：對某一瞬時而言，氣隙各點磁通密度沿定子內圓作正弦分布；2.對氣隙中的某一點而言，其磁通密度

隨時間作正弦變化。it10t2t3t4t5t1t2t3t4t5激磁電流曲線氣隙磁通密度分布曲線（復習內容）二、定子繞組的感應電勢和電流轉子激磁繞組所產生的脈振磁通必定和定子各相繞組相匝鏈，因而在定子各相繞組中感應出電勢。左圖中，與定子三相繞組交鏈的磁通分別為：Z1Z2D1D1D1軸線B1激磁磁通對

定子繞組的匝鏈D2D31m=mcos12m=

mcos(1+120o)3m=

mcos(1+240o)1m=mcos12m=

mcos(1+120o)3m=mcos(1+240o)定子三相繞組中感應出變壓器電勢分別為：E1=4.44fWDmcos1E2=4.44fWDmcos(1+120o)E3=4.44fWD

mcos(1+240o)令E

=4.44fWDm，則E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)電勢同相位，同頻率Z1Z2D1D1D1軸線B1D2D3由于發送機定子和接收機定子相互連接，這些電勢必定在定子繞組中產生電流。I1=I

cos1I2=I

cos(1+120o)I3=I

cos(1+240o)電勢同相位，同頻率12~Uj

Z1Z2E0D1D2D3D’1D’2Z’1Z’2I1I2I3E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)三、定子繞組電流產生的磁場定子繞組流過電流時，也要產生磁場。由于三相對稱繞組中產生的電流是同相的。因此，定子三相電流產生的合成磁場是脈振的，但其脈振磁場的幅值在空間的什么位置？Z1Z2D1D2D1軸線B1定子合成磁場軸線一定在激磁繞組軸線上。I1=I

cos1I2=I

cos(1+120o)I3=I

cos(1+240o)定子合成磁場軸線之所以在激磁繞組軸線上，是由于定子三相是對稱的。如果把發送機激磁繞組作為原邊，定子三相繞組作為副邊，那么它的原、副邊間的電磁關系就類似一臺變壓器。

由物理知識知道，此時定子合成磁場必定對激磁磁場起去磁作用。當激磁電流的瞬時值增加時，定子合成磁場的方向必定與激磁磁場方向相反。Z1Z2D1D2D1軸線B1結論：

1、合成磁通密度相量

B在激磁繞組軸線上。由于激磁繞組軸線和定子D1相軸線的夾角為1，因此定子合成磁場的軸線與D1相相夾1

。

2、合成磁場是一個脈振磁場。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發送機接收機

4、合成脈振磁場的幅值為3Bm/2

，它與轉子對定子的相對位置1無關。

3、合成磁通密度相量在空間的位置不變。合成磁通密度相量的長度（模）是時間的正弦函數。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發送機接收機自整角接收機（自整角變壓器）產生的磁場如何呢？發送機和變壓器的三相同步繞組是對應連接的，因此各對應相的電流應該大小相等、方向相反，所以變壓器合成磁場軸線也與D’1相相夾1，但方向與發送機中的合成磁場相反。該磁場以B’表示。發送機接收機1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3四、輸出繞組的電勢當輸出繞組軸線與變壓器定子軸線差2時，則合成磁場的軸線與輸出繞組軸線夾角為2-

1=時，合成磁場在輸出繞組中產生的感應電勢的有效值為：E0=E0maxcosE0max是定子合成磁場軸線與輸出繞組軸線重合時的感應電勢，此時達到最大。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’211自整角發送機的激磁電壓是一定的，一對自整角機的參數一定，因而E0max是一個常數。變壓器輸出繞組電勢的有效值與兩轉軸的差角的余弦成正比。當=0，cos=1即轉子繞組軸線重合時，E0=E0max，變壓器輸出電勢達到最大。B’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211E0=E0maxcos把

=0作為協調位置，那么協調時反而輸出最大電勢，這是隨動系統所不希望的。系統希望協調位置時輸出繞組電勢為0。B’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211E0=E0maxcos通常把

=90o（與定子B垂直）的位置作為協調位置，偏離此位置的角度叫失調角，=90o-E0=E0maxcos=E0maxsinB’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211B’D’1Z’11協調位置在失調角很小時，

sin

E0

E0max。在

角很小且用弧度作單位時，

sin

。當

=0o~30o（即0

~0.523弧度）以代替sin所造成的誤差不大于5%。自整角變壓器輸出繞組接上交流放大器時，可認為輸出繞組電壓為：U0=U0max該電壓經放大后，送給交流伺服電動機，伺服電動機就帶著接收軸轉動，以消除轉角的差值。失調角很小時，輸出電勢看成與失調角成正比，這樣輸出電勢的大小反映了發送軸和接收軸轉角差值的大小。E0

E0maxB’D’1Z’11協調位置控制式自整角機的工作原理小結：

1

發送機激磁磁場是一個脈振磁場，它在發送機定子繞組中感應出變壓器電勢。

2

發送機定子繞組各相的感應電勢，在時間上是同相的，其有效值與定、轉子的相對位置有關。E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3

3

發送機、接收機定子的三相繞組是對應連接的，在發送機定子繞組感應電勢作用下，兩繞組中的相電流大小相等、方向相反。4

發送機定子合成磁場與勵磁磁場在空間方向相反。5

發送機與接收機定子合成磁場分別與D1軸線相差相同的1角度。但方向相反。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3

6

接收機定子產生的合成脈振磁場軸線與輸出繞組軸線夾角為。

5

自整角機控制式運行時，=

2-

1=90o的位置定義為協調位置。協調時，輸出電勢E0=0。相對協調位置的轉角叫做失調角或差角。

6

輸出繞組的電勢是變壓器電勢，其有效值E0=E0maxsin

，在小失調角時，可認為E0=E0max

。這里

的單位為弧度。B’D’1Z’11協調位置1、畫出協調位置；2、失調角、輸出？1~Uj

Z1Z2BjD1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’2Z’11+1

協調位置E0=E0maxsin=90++1-21、畫出協調位置；2、失調角、輸出？+1

E0=E0maxsin=330-(+1)-21~Uj

Z1Z2BjD1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’2Z’11協調位置5.4

控制式自整角機的性能指標一、誤差概述控制式自整角機在失調角很小時，其變壓器的輸出電壓為U0=U0max

，當=0時，U0=0

。這個結論是在理想的自整角機中得出來的。實際上，由于結構和工藝上的各種因素，即使在協調位置=0輸出繞組中仍有電壓U0存在。一般情況下，這個電壓U0的相位和基本輸出電壓U0不一致。D’1B’Z’11=0協調位置U0為研究方便，把這個電壓分解成兩個分量，一個分量和基本輸出電壓相位相同，一個分量和基本輸出電壓相位互差

90o，如圖所示。第一個分量將引起轉角的隨動誤差。這個誤差用表示。第二個分量稱為正交分量，它不能引起轉角的隨動誤差，但它使放大器和系統的工作惡化。自整角機的誤差還分為靜態誤差和速度誤差。B’Z’11=0協調位置D’1二、控制式自整角機的性能指標1、電氣誤差1）自整角變壓器的電氣誤差靜態時所引起的誤差稱為自整角變壓器的電氣誤差。該誤差取決于每一臺自整角機偏離理想條件的程度，所以出廠時要逐臺測定。它還與變壓器定、轉子的相對位置有關，所以要測出對應定、轉子不同位置時的誤差值。B’Z’11=0協調位置D’12）自整角發送機的電氣誤差E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)自整角發送機定子繞組中的感應電勢理論值滿足

但由于設計、工藝、材料等因素的影響，各組線電勢的實際值不等于理論值。轉動轉子使其偏離給定的電氣角，直到實際的線電勢和理論值相等。將電氣角和實測角相比，超前為正誤差，滯后為負誤差。每隔150測一次。正、負最大誤差絕對值之和的一半定義為發送機的電氣誤差。1~Uj

Z1Z2D1D2D32、零位電壓1）自整角變壓器的零位電壓2）自整角發送機的零位電壓在測定自整角變壓器電氣誤差時，曾出現如下現象，無論怎樣改變變壓器轉子位置，其輸出電勢都不為零，而只能減小到一個相當小的數值。由于此時自整角發送機和變壓器達到實際的協調位置，處于實際的電氣零位，所以這個殘留下來的電壓稱為零位電壓或殘余電壓。發送機零位電壓的含義和測試方法類似自整角變壓器。B’Z’11=0協調位置D’13、比電壓4、輸出相位移輸出電壓和失調角的關系為U0=U0maxsin

，在角很小時，U0=U0max

；即此時可以用正弦曲線在

=0處的切線近似地代替該曲線，這條切線的斜率稱為比電壓或電壓陡度。其值等于在協調位置附近失調角變化1o時輸出電壓的增量，單位為V/（o）。輸出相位移是指自整角變壓器輸出電壓的基波分量對自整角發送機激磁電壓基波分量的時間相位差。目前，國產自整角變壓器的輸出相位移為2o~20o。5、速度誤差當轉子轉速較高時，由于發送機定子繞組切割轉子磁場產生切割電勢，并在兩定子繞組中產生附加電流和磁場，因而在變壓器輸出繞組中感應電勢,稱為速度電勢。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21

由于速度電勢的存在，使得變壓器轉子最后所處的位置不是=0的地方，而是偏離協調位置v

。這樣，就造成了速度誤差v。轉速越高，速度電勢越大，速度誤差也越大。5.5

帶有差動發送機的控制式運行自整角機除了作成對運行外，還有加入差動發送機的控制式運行。其目的是用來傳遞兩個發送軸的角度和或角度差。差動自整角機與普通自整角機的結構有些不同，它為隱極式結構。定、轉子鐵心的槽中放置三相分布繞組，并接成星形。極對數仍為1。轉子繞組通過三組滑環和電刷引出。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’ZKFZKC21自整角發送機差動發送機自整角接收機定子轉子轉子定子E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3ZKB定子轉子帶有差動發送機的控制式運行

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3

=1-2B’ZKFZKCZKB121發送機轉子相對于D1軸分別轉動1和2。差動機轉子磁場與轉子C1軸為180-(1-2)。接收機定子磁場與定子D1軸為(1-2)。11E0=E0maxsin(1-2)

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3

=1-2B’ZKFZKCZKB121接收機輸出電勢：當伺服電機帶動接收機轉子順時針轉過1-2時，輸出為0，轉子停轉，達到協調位置。實現了兩個發送機轉差角度的傳遞。

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3B’ZKFZKCZKB1211

=1+2E0=E0maxsin(1+2)當伺服電機帶動接收機轉子逆時針轉過1+2時，輸出為0，轉子停轉，達到協調位置。實現了兩個發送機轉角度和的傳遞。5.6

力矩式自整角機將控制式自整角機接收機的轉子繞組也加上交流激磁電壓，那么接收機的轉子就可以帶一定的負載轉動了。根據電磁作用規律，如果在磁場中有一個可以轉動的線圈，當它通過電流時，它的兩個邊都與磁場作用產生電磁力；這兩個電磁力形成轉矩，使線圈轉動，力矩的方向是使載流線圈所產生的磁場方向與外磁場方向一致。力矩式自整角機就是利用這個原理進行工作的。Bj發送機和接收機同時勵磁，磁場分布如圖。D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjD’2B

,B發送機接收機定轉子磁場相互作用會產生電磁力矩，使轉子轉動。力矩式自整角機結構和接線D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,接收機轉子磁場Bj

,與定子磁場分量Bsin相互作用產生力矩，使接收機轉子向減小的方向運轉，直到為0，電磁轉矩Tem=0。將B分解此時為協調位置。=0，Tem=0，Bj與B同方向。D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,為失調角，電磁轉矩Tem與它的正弦成正比。Tem=KBsin

D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,接收機轉子磁場Bj

,與定子磁場分量Bsin相互作用產生力矩，使接收機轉子向減小的方向運轉（順時針），直到為0，電磁轉矩Tem=0。發送機轉子受電磁力嗎？力矩式差動自整角機工作原理

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’D’2

D’1D’3

=1-2B’ZLFZCFZLJ121Z1，Z2，Uj，Bj，力矩發送機力矩式差動發送機力矩式接收機

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’D’2

D’1D’3

=1-2B’ZLFZCFZLJ21Z1，Z2，Uj，Bj，力矩式接收機力矩式接收機在電磁力矩的作用下，將順時針轉1-2。1

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3C’2