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自整角機(jī)

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  • 發(fā)布時(shí)間:2014/11/24 16:23:46
  • 作者:銀河電氣
定義
自整角機(jī)是一種角位移信息發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)換用交流控制電機(jī),是自整角機(jī)發(fā)送機(jī)、自整角接收機(jī)、自整角差動(dòng)發(fā)送機(jī)、自整角差動(dòng)接收機(jī)和自整角控制變壓器的總稱(chēng)。
參見(jiàn):GB/T 2900.26-2008 電工術(shù)語(yǔ) 控制電機(jī) 3.2.1節(jié)
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自整角機(jī)分類(lèi)

  自整角機(jī)包括:
  A、使用于信號(hào)傳輸系統(tǒng)作檢測(cè)元件用的控制式自整角機(jī);
  控制式自整角機(jī)包括控制式發(fā)送機(jī)ZKF和控制式變壓器ZKB。
  B、使用于力矩傳輸系統(tǒng)作指示用的力矩式自整角機(jī)。
  力矩式自整角機(jī)包括力矩式發(fā)送機(jī)ZLF和力矩式接收Z(yǔ)LJ。
  控制式自整角機(jī)是作為角度和位置的檢測(cè)元件,可以將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量,而且精密程度較高,誤差范圍僅有3′~14′。因此,控制式自整角機(jī)用于精密的閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中是很適宜的。
  力矩式自整角機(jī)用做遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)角指示,即將機(jī)械角度變換為力矩輸出,但無(wú)力矩放大作用,接收誤差稍大,負(fù)載能力較差,其靜態(tài)誤差范圍為0.5°~2°。因此,力矩式自整角機(jī)只適用于輕負(fù)載轉(zhuǎn)矩及精度要求不太高的開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)里。

2
自整角機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

  自整角機(jī)是一種將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號(hào)或?qū)㈦妷盒盘?hào)變換成轉(zhuǎn)角,以實(shí)現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測(cè)量或控制遠(yuǎn)距離設(shè)備的角度位置,也可以在隨動(dòng)系統(tǒng)中用作機(jī)械設(shè)備之間的角度聯(lián)動(dòng)裝置,以使機(jī)械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉(zhuǎn)軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。通常是兩臺(tái)或多臺(tái)組合使用,產(chǎn)生信號(hào)一方的自整角機(jī)稱(chēng)為發(fā)送機(jī),接收信號(hào)一方的自整角機(jī)稱(chēng)為接收機(jī)。
  自整角機(jī)是一種微型電機(jī),所以自整角機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似,主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。下面根據(jù)自整角機(jī)的使用用途,分別介紹控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)的工作原理。

1、控制式自整角機(jī)工作原理

  控制式自整角機(jī)的工作原理可以由圖1來(lái)說(shuō)明。圖1中,由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組。一臺(tái)用來(lái)發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào),稱(chēng)為自整角發(fā)送機(jī),用ZKF表示,它的勵(lì)磁繞組接到單相交流電源上。另一臺(tái)用來(lái)接收轉(zhuǎn)角信號(hào)并將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出,稱(chēng)之為自整角接收機(jī),用ZKJ表示。兩臺(tái)自整角機(jī)定子中的整步繞組(定子繞組)均接成星形,三對(duì)相序相同的相繞組分別接成回路。

 控制式自整角機(jī)工作原理圖
圖1控制式自整角機(jī)工作原理圖

  在自整角發(fā)送機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入單相交流電流時(shí),兩臺(tái)自整角機(jī)的氣隙中都將產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。脈振磁場(chǎng)使自整角發(fā)送機(jī)整步繞組的各相繞組生成時(shí)間上同相位的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),電動(dòng)勢(shì)的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線(xiàn)與勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)之間的相對(duì)位置。當(dāng)整步繞組中的某一相繞組軸線(xiàn)與勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)重合時(shí),該相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為最大值,用E表示電動(dòng)勢(shì)的最大值。
  設(shè)發(fā)送機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)的夾角為θ1,接收機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁繞組(轉(zhuǎn)子繞組)軸線(xiàn)的夾角為θ2,如圖1所示。發(fā)送機(jī)整步繞組中各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為:
  Ea=E*cosθ1
  Eb=E*cos(θ1+120°)
  Ec=E*cos(θ1-120°)
  由于各相整步繞組對(duì)應(yīng)接成回路,所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在各相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流,設(shè)Z為ZKF相繞組的阻抗ZF、ZKJ相繞組的阻抗ZJ和連接線(xiàn)的阻抗ZL之和,Z=ZF+ZJ+ZL,I=E/Z(I為勵(lì)磁磁通軸線(xiàn)和定子繞組軸線(xiàn)重合時(shí)定子某相電流的有效值,每相最大電流有效值),則ZKF與ZKJ的各相繞組回路中產(chǎn)生各相電流為:
  Ia=I*cosθ1
  Ib=I*cos(θ1+120°)
  Ic=I*cos(θ1-120°)
  三相對(duì)稱(chēng)整步繞組流過(guò)電流時(shí),感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。分析整步繞組電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng),其合成磁場(chǎng)方向在勵(lì)磁繞組的軸線(xiàn)上,且根據(jù)楞次定律,合成磁場(chǎng)必定對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)起去磁作用,所以合成磁通密度相量B在勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)上,方向與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通密度相量Bj相反。
  發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的三相定子繞組是對(duì)應(yīng)連接的,所以各對(duì)應(yīng)相的電流大小相等、方向相反,所以接收機(jī)合成磁場(chǎng)軸線(xiàn)也與D’1相相夾θ1,但方向與發(fā)送機(jī)中的合成磁場(chǎng)相反,該磁場(chǎng)以B’表示。

 自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)關(guān)系
圖2自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)關(guān)系

  當(dāng)接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)與定子繞組軸線(xiàn)差θ2時(shí),合成磁場(chǎng)的軸線(xiàn)與接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)夾角為θ2-θ1=d,則合成磁場(chǎng)在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的有效值為:

E0=E0max*cosd

  E0max是定子合成磁場(chǎng)軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)重合時(shí)的感應(yīng)電勢(shì),此時(shí)達(dá)到最大。

 定子合成軸線(xiàn)與輸出繞組軸線(xiàn)夾角?
圖3定子合成軸線(xiàn)與輸出繞組軸線(xiàn)夾角

  通常把d=90°(與定子B垂直)的位置作為協(xié)調(diào)位置,偏離此位置的角度叫失調(diào)角g,g=90°-g

E0=E0max*cosg=E0max*sing

  由于接收機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng),即θ2保持恒定。所以接收機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)的大小反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度,輸出電動(dòng)勢(shì)的極性反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)方向,從而實(shí)現(xiàn)了將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

2、力矩式自整角機(jī)工作原理

  帶電的閉合導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到安培力的作用。因此在控制式自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組也施加交流激磁電壓時(shí),接收機(jī)的轉(zhuǎn)子就可以帶動(dòng)一定的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。力矩式自整角機(jī)就是利用這個(gè)原理進(jìn)行工作的(圖4為力矩式自整角機(jī)的工作原理圖)。

 力矩式自整角機(jī)工作原理圖
圖4力矩式自整角機(jī)原理圖

  應(yīng)用疊加原理分別考慮ZLF勵(lì)磁磁通和ZLJ勵(lì)磁磁通的作用,所以ZLF和ZLJ同時(shí)勵(lì)磁定子繞組所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)應(yīng)該是B和B‘的疊加。
  為分析方便將ZLJ中的B分解成兩個(gè)分量,直軸分量B*(1-cosd)與轉(zhuǎn)子電流if相互作用產(chǎn)生電磁力,但不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。交軸分量B*cosd與if相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

 轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩
圖6轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

  在該轉(zhuǎn)矩作用下使失調(diào)角d減小,當(dāng)其為零后B*sind=0,轉(zhuǎn)矩為零,使ZLJ轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)停止在與ZLF轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)一致的位置上;當(dāng)d=90°時(shí),產(chǎn)生最大整步轉(zhuǎn)矩,最大整步轉(zhuǎn)矩用Tm表示,那么接收機(jī)的整步轉(zhuǎn)矩可以表示為

 T=Tm*sind

3
自整角機(jī)的技術(shù)參數(shù)

1、控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

 ?。?)電氣誤差Δre

  自整角發(fā)送機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)理論值滿(mǎn)足:
  E1 = E cosq1     E2 = Ecos (q1 +120°)     E3 = E cos (q1 -120°)
  但由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響,各組線(xiàn)電勢(shì)的實(shí)際值不等于理論值。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子使其偏離給定的電氣角,直到實(shí)際的線(xiàn)電勢(shì)和理論值相等。將電氣角和實(shí)測(cè)角相比,超前為正誤差,滯后為負(fù)誤差。每隔15°測(cè)一次。正、負(fù)最大誤差絕對(duì)值之和的一半定義為發(fā)送機(jī)的電氣誤差,Δdm為最大誤差。

Δre=(|+Δdm|+|-Δdm|)/2

 ?。?)零點(diǎn)位電壓U0

  接收機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子處于協(xié)調(diào)位置時(shí)輸出繞組出現(xiàn)的端電壓叫零位電壓或殘余電壓。一般有50~180 mV的殘余電壓。

 ?。?)比電壓Uθ

  ZKJ在協(xié)調(diào)位置附近單位失調(diào)角(取 g=1°)時(shí)的輸出電壓稱(chēng)為比電壓Uθ,比電壓大同樣大小的失調(diào)角所獲得的信號(hào)電壓也大,因此系統(tǒng)的靈敏度高 。

 ?。?)輸出相位移Φ

  輸出相位移是指ZKJ輸出電壓的基波分量對(duì)ZKF勵(lì)磁電壓基波分量的時(shí)間相位差。目前,國(guó)產(chǎn)ZKJ的輸出相位移為2°~20°。 

  (5)速度誤差Δrv

  當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí),由于發(fā)送機(jī)定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生切割電勢(shì),并在兩定子繞組中產(chǎn)生附加電流和磁場(chǎng),因而在ZKJ輸出繞組中感應(yīng)電勢(shì),稱(chēng)為速度電勢(shì)。由于速度電勢(shì)的存在,使得ZKJ轉(zhuǎn)子最后所處的位置不是g=0的地方,而是偏離協(xié)調(diào)位置Δrv。這樣,就造成了速度誤差Δrv。轉(zhuǎn)速越高,速度電勢(shì)越大,速度誤差也越大。

2、力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

  (1)阻尼時(shí)間td

  指強(qiáng)迫接收機(jī)轉(zhuǎn)子失調(diào)(177±2)°,放松后,經(jīng)過(guò)衰減振蕩達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)所需要的時(shí)間。按規(guī)定阻尼時(shí)間不應(yīng)大于3s。阻尼時(shí)間越短,表示接收機(jī)的跟隨性能越好。為此,在力矩式接收機(jī)中通常都裝有阻尼繞組,也有的裝有機(jī)械阻尼器。

 ?。?)零位誤差Δθ0

  當(dāng)ZLF的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后,在理論上,從線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)為零的某一位置(基準(zhǔn)零位)開(kāi)始,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°,整步繞組中必有一線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)(Eab或Ebc或Eca)為零,此位置稱(chēng)為理論電氣零位。 但是由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響,實(shí)際電氣零位與理論電氣零位存在著差異,兩者之差稱(chēng)為力矩式自整角機(jī)的零位誤差。

 ?。?)比整步轉(zhuǎn)矩Tθ

  指力矩式自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)在協(xié)調(diào)位置附近失調(diào)角為1°時(shí)所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩。即

 Tθ=Tm*sin1°

  比整步轉(zhuǎn)矩越大,其整步能力越強(qiáng),靜態(tài)誤差越小,所以比整步轉(zhuǎn)矩是ZLJ的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。一般產(chǎn)品數(shù)據(jù)中均列出它的數(shù)值。

 ?。?)靜態(tài)誤差 Δθs
  發(fā)送機(jī)處于停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時(shí)的工作狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)。在理想情況下,接收機(jī)應(yīng)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度。但由于接收機(jī)軸上存在摩擦轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩,所以使兩機(jī)的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)差值。把靜態(tài)空載運(yùn)行而達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí),發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度與接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度之差稱(chēng)為靜態(tài)誤差。 
  靜態(tài)誤差通常用度或角分表示,它決定接收機(jī)的精度。根據(jù)靜態(tài)誤差的大小可分為三個(gè)精度等級(jí):0級(jí)為0.5°,1級(jí)為1.2°,2級(jí)為2°。 

4
控制式自整角機(jī)的應(yīng)用

  圖7是雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)示意圖。圖中自整角發(fā)送機(jī)2轉(zhuǎn)軸直接與雷達(dá)天線(xiàn)的俯仰角α耦合,因此雷達(dá)天線(xiàn)的俯仰角α就是自整角發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角。控制式自整角接收機(jī)1轉(zhuǎn)軸與由交流伺服電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)負(fù)載(刻度盤(pán)5或火炮等負(fù)載)的軸相連,其轉(zhuǎn)角用β表示。接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸出電動(dòng)勢(shì)E2(有效值)與兩軸的差角γ即α-β近似成正比,即

E2=K(α-β)=K*γ…………時(shí)鐘K為常數(shù)

  E2經(jīng)放大器放大后送至交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組,使交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)??梢?jiàn),只要α≠β,即γ≠0,就有E2≠0,伺服電動(dòng)機(jī)便要轉(zhuǎn)動(dòng),使γ減小,直至γ=0。如果α不斷變化,系統(tǒng)就會(huì)使β跟著aα變化,以保持γ=0,這樣就達(dá)到了轉(zhuǎn)角自動(dòng)跟蹤的目的。只要系統(tǒng)的功率足夠大,接收機(jī)上便可帶動(dòng)火炮一類(lèi)阻力矩很大的負(fù)載。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間只需三根連線(xiàn),便實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離顯示和操縱。

雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)原理圖

圖7雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)原理圖

1—自整角接收機(jī);2—自整角發(fā)送機(jī);3—交流伺服電動(dòng)機(jī);4—放大器;5—刻度盤(pán);6—減速器

5
力矩式自整角機(jī)的應(yīng)用
  力矩式自整角機(jī)廣泛用作測(cè)位器。下面圖8以測(cè)水塔水位的力矩式自整角機(jī)為例說(shuō)明其應(yīng)用。高低的測(cè)位器示意圖。圖中浮子隨著水面升降而上下移動(dòng),并通過(guò)繩子、滑輪和平衡錘使自整角發(fā)送機(jī)ZLF轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 
  據(jù)力矩式自整角機(jī)的工作原理知,由于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子是同步旋轉(zhuǎn)的, 所以接收機(jī)轉(zhuǎn)子上所固定的指針能準(zhǔn)確地指向刻度盤(pán)所對(duì)應(yīng)的角度——也就是發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)的角度。若將角位移換算成線(xiàn)位移, 就可方便地測(cè)出水面的高度,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量的目的。這種測(cè)位器不僅可以測(cè)量水面或液面的位置,也可以用來(lái)測(cè)量閥門(mén)的位置、電梯和礦井提升機(jī)的位置、變壓器分接開(kāi)關(guān)位置等。 

液面位置指示器

圖8液面位置指示器


1—浮子;2—平衡錘;3—發(fā)送機(jī);4—接收機(jī)

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自整角機(jī)的測(cè)試

  圖9為自整角機(jī)電氣參數(shù)測(cè)試原理圖。自整角機(jī)的測(cè)試包括勵(lì)磁繞組及整步繞組的電壓、電流、頻率、功率、諧波及相關(guān)相位角等參數(shù)。同時(shí),通過(guò)相關(guān)上位機(jī)軟件運(yùn)算,還可計(jì)算出電氣誤差、零位電壓、比電壓、輸出相位移、速度誤差、零位誤差、靜態(tài)誤差等參數(shù)。

自整角機(jī)電氣參數(shù)測(cè)試原理圖

圖9自整角機(jī)電氣參數(shù)測(cè)試原理圖


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