第六章 控制電機

1、DD http:/ 渦輪增壓器船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系第六章第六章 控制電機控制電機 本章概述本章概述o 控制電機是自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用范圍非常廣泛的旋轉(zhuǎn)電控制電機是自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用范圍非常廣泛的旋轉(zhuǎn)電器。在船舶控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。例如船舶雷器。在船舶控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。例如船舶雷達的自動定位、方向舵的自動操縱與監(jiān)測、傳令用電車達的自動定位、方向舵的自動操縱與監(jiān)測、傳令用電車鐘，調(diào)速裝置等都要使用控制電機。鐘，調(diào)速裝置等都要使用控制電機。o 控制電機種類很多，根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用，控制電機種類很多，根據(jù)它們在自動

2、控制系統(tǒng)中的作用，可分為執(zhí)行元件和測量元件兩大類。執(zhí)行元件主要包括可分為執(zhí)行元件和測量元件兩大類。執(zhí)行元件主要包括交、直流伺服電動機、步進電動機等，它的任務(wù)是將輸交、直流伺服電動機、步進電動機等，它的任務(wù)是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化；測量入的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化；測量元件主要包括交、直流測速發(fā)電機、自整角機等，它可元件主要包括交、直流測速發(fā)電機、自整角機等，它可以用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速等。以用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速等。o 本章介紹幾種船舶常用的控制電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原本章介紹幾種船舶常用的控制電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和用途。理、特性和

3、用途。 船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系第第6章章 控制電機控制電機本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 第一節(jié)第一節(jié) 伺服電動機伺服電動機 第二節(jié)第二節(jié) 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 第三節(jié)第三節(jié) 自整角機自整角機 船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系第一節(jié)第一節(jié) 伺服電動機伺服電動機 伺服電動機在控制系統(tǒng)中是用作驅(qū)動控制對象的執(zhí)行元伺服電動機在控制系統(tǒng)中是用作驅(qū)動控制對象的執(zhí)行元件，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓的控制。件，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓的控制。特點：特點： 當(dāng)有電信號（交流控制電壓或直流控制電壓）輸入到當(dāng)有電信號

4、（交流控制電壓或直流控制電壓）輸入到 伺服電動機的控制繞組時，它就馬上拖動被控制的對伺服電動機的控制繞組時，它就馬上拖動被控制的對 象旋轉(zhuǎn)；當(dāng)電信號消失時，它就立即停止轉(zhuǎn)動。象旋轉(zhuǎn)；當(dāng)電信號消失時，它就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電動機分為交流和直流兩種類型。伺服電動機分為交流和直流兩種類型。返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系一、交流伺服電動機一、交流伺服電動機 1. 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 交流伺服電動機實際上是兩相異步電動機。其基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機實際上是兩相異步電動機。其基本結(jié)構(gòu) 和一般異步電動機相似。定子鐵心上裝有空間相隔和一般異步電動機相似。定子鐵

5、心上裝有空間相隔90 的兩個繞組：一個是勵磁繞組，另一個是控制繞組。的兩個繞組：一個是勵磁繞組，另一個是控制繞組。 定子的鐵心分隱極式和凸極式，定子的鐵心分隱極式和凸極式，圖圖6-16-1為凸極形定子鐵為凸極形定子鐵心。隱極形式的定子鐵心形狀與三相異步電動機相同，心。隱極形式的定子鐵心形狀與三相異步電動機相同，但繞組是由兩個空間相差但繞組是由兩個空間相差9090的繞組制成。的繞組制成。 伺服電動機的轉(zhuǎn)子有鼠籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。伺服電動機的轉(zhuǎn)子有鼠籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)如杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖圖6-1所示。所示。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪

6、機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6- -1 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系2. 工作原理工作原理 （1）控制繞組加控制電壓）控制繞組加控制電壓o 圖圖6-2為交流伺服電動機的接線圖。為交流伺服電動機的接線圖。o 圖圖6-3為向量圖。為向量圖。o 圖圖6-4為不同控制電壓下的機械特性曲線。為不同控制電壓下的機械特性曲線。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-2 交流伺服電動機的接交流伺服電動機的接線圖線圖圖圖6-3 電壓與電流相量電壓與

7、電流相量 圖圖圖圖6-4 不同控制電壓下不同控制電壓下 的機械特性曲線的機械特性曲線船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系（2）控制電壓）控制電壓 控制電壓控制電壓 的運行狀態(tài)可分的運行狀態(tài)可分 兩種情況討論：兩種情況討論：o 第一種情況：伺服電動機在運行第一種情況：伺服電動機在運行中控制電壓消失而變?yōu)榱悖妱又锌刂齐妷合Ф優(yōu)榱?，電動機會立即停轉(zhuǎn)。此時電動機勵磁機會立即停轉(zhuǎn)。此時電動機勵磁繞組產(chǎn)生脈動磁場，由于伺服電繞組產(chǎn)生脈動磁場，由于伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻足夠大，其轉(zhuǎn)矩動機的轉(zhuǎn)子電阻足夠大，其轉(zhuǎn)矩特性右圖所示。在伺服電動機正特性右圖所示。在伺服電

8、動機正（或反轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動方向相反，即產(chǎn)生制動電磁轉(zhuǎn)動方向相反，即產(chǎn)生制動電磁轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下電機立即矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下電機立即停轉(zhuǎn)。停轉(zhuǎn)。圖6-5交流伺服電動機單相運行特性T = f (s )02TT1120TTss02U船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系o 第二種情況：未加控制電壓（勵磁繞組始終接在第二種情況：未加控制電壓（勵磁繞組始終接在 交流電源上），脈動磁場作用于電動機起動轉(zhuǎn)矩交流電源上），脈動磁場作用于電動機起動轉(zhuǎn)矩 為零，所以轉(zhuǎn)子保持靜止不動。為零，所以轉(zhuǎn)子保持靜止不動。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng)

9、 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系二、直流伺服電動機二、直流伺服電動機 1.結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 2.控制方法與性能控制方法與性能 3.控制特性控制特性 船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系1. 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與直流電機相同。根據(jù)獲得磁極直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與直流電機相同。根據(jù)獲得磁極 磁場型式的不同，常用的直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)型式有磁場型式的不同，常用的直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)型式有 直流永磁式和電磁式兩種。直流永磁式和電磁式兩種。 永磁式的磁極為永久磁鐵，采用具有矯頑磁力和剩磁感永磁式的磁極為永久磁鐵，

10、采用具有矯頑磁力和剩磁感 應(yīng)強度值很高的稀土永磁材料組成。應(yīng)強度值很高的稀土永磁材料組成。 電磁式伺服電動機如同他勵直流電動機，它的勵磁繞組電磁式伺服電動機如同他勵直流電動機，它的勵磁繞組 和電樞分別有兩個獨立電源供電。為了減小轉(zhuǎn)動慣量，和電樞分別有兩個獨立電源供電。為了減小轉(zhuǎn)動慣量， 使其響應(yīng)迅速，直流伺服電動機的電樞都做成細(xì)長形。使其響應(yīng)迅速，直流伺服電動機的電樞都做成細(xì)長形。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系2. 控制方法與性能控制方法與性能 直流伺服電動機的工作原理與一般的直流電動機相同，直流伺服電動機的工作原理與一般的直流電動機相同， 電

11、樞電流和磁極磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電樞電流和磁極磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速公式根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速公式 直流伺服電動機的控制方式有兩種，電樞控制與磁場控直流伺服電動機的控制方式有兩種，電樞控制與磁場控 制，即改變電樞電壓制，即改變電樞電壓 的大小和極性（電樞控制）或采的大小和極性（電樞控制）或采 取改變磁極磁通取改變磁極磁通的大小和方向（磁場控制）來改變的大小和方向（磁場控制）來改變 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。后者控制特性的線性程度較差，很轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。后者控制特性的線性程度較差，很 少采用。少采用。aUeaa2CRIUn船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5

12、-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系 圖圖6-6為電磁式電樞控制接線圖如所示。為電磁式電樞控制接線圖如所示。 圖圖6-7為直流伺服電動機在不同控制電壓下的機械特性為直流伺服電動機在不同控制電壓下的機械特性 曲線曲線n nf f（T T）。）。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-6 直流伺服電動機的接線圖直流伺服電動機的接線圖返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-7 直流伺服電動機的機械特性直流伺服電動機的機械特性船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)

13、院船電系3.控制特性控制特性 伺服電動機在固定的負(fù)載下，控制信號電壓伺服電動機在固定的負(fù)載下，控制信號電壓U2的大小與的大小與 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系稱作控制特性，又稱調(diào)節(jié)特性。之間的關(guān)系稱作控制特性，又稱調(diào)節(jié)特性。 在電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩在電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T = TL，機械特性，機械特性 的表達式為：的表達式為： L2Teae2TCCRCUn圖圖6-8為控制特性。為控制特性。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-8 控制特性（控制特性（T3T2T1）返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船

14、電系第二節(jié)第二節(jié) 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 測速發(fā)電機的功能是將機械轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸測速發(fā)電機的功能是將機械轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸 出。它在自動控制系統(tǒng)中用來測量和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在反饋出。它在自動控制系統(tǒng)中用來測量和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在反饋 系統(tǒng)中常用來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中常用來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 測速發(fā)電機有直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種類測速發(fā)電機有直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種類 型。結(jié)構(gòu)特點與運行原理。型。結(jié)構(gòu)特點與運行原理。返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系 1. 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和交流伺服電動機相同，其轉(zhuǎn)交流測速發(fā)電機的

15、結(jié)構(gòu)和交流伺服電動機相同，其轉(zhuǎn)子有鼠籠式和空心杯轉(zhuǎn)子兩種類型，但鼠籠轉(zhuǎn)子特性子有鼠籠式和空心杯轉(zhuǎn)子兩種類型，但鼠籠轉(zhuǎn)子特性差，目前大多數(shù)采用空心杯形轉(zhuǎn)子。定子上放置兩套差，目前大多數(shù)采用空心杯形轉(zhuǎn)子。定子上放置兩套空間相差空間相差90的繞組，一個是勵磁繞組，另一個是輸?shù)睦@組，一個是勵磁繞組，另一個是輸出繞組，工作時，勵磁繞組接在恒定的交流電源上出繞組，工作時，勵磁繞組接在恒定的交流電源上（勿需串聯(lián)電容），產(chǎn)生脈動磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子由某種設(shè)（勿需串聯(lián)電容），產(chǎn)生脈動磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子由某種設(shè)備拖動旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組將有感應(yīng)電壓輸出，感應(yīng)電備拖動旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組將有感應(yīng)電壓輸出，感應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成線性正比例關(guān)

16、系。壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成線性正比例關(guān)系。 船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系2. 工作原理工作原理 交流測速發(fā)電機的原理示意圖如交流測速發(fā)電機的原理示意圖如圖圖6-9示。示。 圖圖6-10為交流測速發(fā)電機的原理。為交流測速發(fā)電機的原理。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-9 交流測速發(fā)電機的原理圖交流測速發(fā)電機的原理圖船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系 圖圖6-10 6-10 交流測速發(fā)電機的原理圖交流測速發(fā)電機的原理圖 返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件202

17、2-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系船舶上常用測速發(fā)電機（直流或交流）、轉(zhuǎn)速指示儀和船舶上常用測速發(fā)電機（直流或交流）、轉(zhuǎn)速指示儀和接線箱等組成遠距離轉(zhuǎn)速測量和監(jiān)視系統(tǒng)。以船舶主機接線箱等組成遠距離轉(zhuǎn)速測量和監(jiān)視系統(tǒng)。以船舶主機的轉(zhuǎn)速測量為例，測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器、齒輪的轉(zhuǎn)速測量為例，測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器、齒輪或鏈輪鏈條與主機凸輪軸或尾軸連接。幾個并聯(lián)的轉(zhuǎn)速或鏈輪鏈條與主機凸輪軸或尾軸連接。幾個并聯(lián)的轉(zhuǎn)速指示表分別安裝在機艙、集控室、駕駛室和輪機長室。指示表分別安裝在機艙、集控室、駕駛室和輪機長室。轉(zhuǎn)速表內(nèi)設(shè)有調(diào)節(jié)電阻，以適配不同距離的應(yīng)用場合之轉(zhuǎn)速表內(nèi)設(shè)有調(diào)節(jié)電阻，以

18、適配不同距離的應(yīng)用場合之需。需。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系第三節(jié)第三節(jié) 自整角機自整角機 o 在同步傳動系統(tǒng)（即轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)）中，為了實現(xiàn)兩在同步傳動系統(tǒng)（即轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)）中，為了實現(xiàn)兩 個或兩個以上相距很遠而在機械上又互不聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸個或兩個以上相距很遠而在機械上又互不聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸 進行同步角位移或同步旋轉(zhuǎn)，常采用電氣上互相聯(lián)進行同步角位移或同步旋轉(zhuǎn)，常采用電氣上互相聯(lián) 系，并具有自動整步能力的電機來實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的自動指系，并具有自動整步能力的電機來實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的自動指 示或同步傳遞，這種電機稱為自整角機。示或同步傳遞，這種電機稱為自整角機。o 在自

19、整角構(gòu)成的同步傳動系統(tǒng)中，自整角機至少是兩在自整角構(gòu)成的同步傳動系統(tǒng)中，自整角機至少是兩 個或兩個以上組合使用。其中一個自整角機與主動軸個或兩個以上組合使用。其中一個自整角機與主動軸 相聯(lián)稱為發(fā)送機，另一個與從動系統(tǒng)相聯(lián)稱為接收相聯(lián)稱為發(fā)送機，另一個與從動系統(tǒng)相聯(lián)稱為接收 機。通常發(fā)送機和接收機的型號和結(jié)構(gòu)完全相同。機。通常發(fā)送機和接收機的型號和結(jié)構(gòu)完全相同。返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系o 自整角機按其在同步傳動系統(tǒng)使用要求的不同分為力自整角機按其在同步傳動系統(tǒng)使用要求的不同分為力 矩式自整角機和控制式自整角機。自整角機又分單相矩式自整角

20、機和控制式自整角機。自整角機又分單相 和三相兩種。和三相兩種。 圖圖6-11為舵角指示裝置示意圖。為舵角指示裝置示意圖。 圖圖6-12為自整角機結(jié)構(gòu)示意圖。為自整角機結(jié)構(gòu)示意圖。船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-12 自整角機結(jié)自整角機結(jié) 構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖圖圖6-11 舵角指示裝舵角指示裝 置示意圖置示意圖返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系一、力矩式自整角機一、力矩式自整角機 1.接線方式接線方式 如圖如圖6-13 2.工作原理工作原理 如圖如圖6-13 如圖如圖6-14船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng)

21、課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-13 6-13 力矩式自整角機的接線圖力矩式自整角機的接線圖返回船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系圖圖6-14 0時電磁轉(zhuǎn)矩方向示意圖時電磁轉(zhuǎn)矩方向示意圖（力矩式）（力矩式）(a)發(fā)送機(b)接收機船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng) 課 件2022-5-30輪機工程學(xué)院船電系輪機工程學(xué)院船電系 在實際應(yīng)用中，常會遇到一臺發(fā)送機同時帶動幾臺在實際應(yīng)用中，常會遇到一臺發(fā)送機同時帶動幾臺接收機并聯(lián)運行，如船舶上的舵角指示器等。由于接收機并聯(lián)運行，如船舶上的舵角指示器等。由于力矩式自整角機的輸出轉(zhuǎn)矩一般很小，通常只能帶力矩式自整角機的輸出轉(zhuǎn)矩一般很小，通常只能帶動指針類型的負(fù)載。因此為了提高自