第二章船舶電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)4

前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)：如:伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象；測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。

本節(jié)介紹的各種控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機(jī)的種類很多，本節(jié)只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、自整角機(jī)。

對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)4.1

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。4.1.1

交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90

的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1

勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90

,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖

1(b)相量圖

控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組

交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。

勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵(lì)磁電流和控制繞組電流不同相時(shí)，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。

但如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似，電動(dòng)機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，即使控制等于零，電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。

如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩特性(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。

在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。

交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:4.1.2

直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通

不變時(shí)，U2

n

。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO

直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：4.2

測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它被用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類型。4.2.1

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理。????

1轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁繞組輸出繞組

異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，一個(gè)是輸出繞組。輸出繞組+–勵(lì)磁繞組+–

工作時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N1

1可知：

當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割

1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)Er和轉(zhuǎn)子電流Ir，它們的大小與

1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

成正比：

轉(zhuǎn)子電流Ir也產(chǎn)生磁通

r，

r在輸出繞組中感應(yīng)出電壓U2，U2的大小與

r成正比：

綜合上述分析可知：

當(dāng)U1恒定不變時(shí)，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。

由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時(shí)要注意加以修正。4.2.2

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵(lì)式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時(shí)電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而沒(méi)有勵(lì)磁線圈；他勵(lì)式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機(jī)相同，工作時(shí)勵(lì)磁繞組加直流電壓U1勵(lì)磁。他勵(lì)式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–

當(dāng)被測(cè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：上式中代入：于是

可見(jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁電壓U1保持恒定時(shí)（

亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉(zhuǎn)速n成正比。這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=

RL2RL1

值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。因此，在使用中應(yīng)使RL和n的大小符合直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。

測(cè)速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測(cè)元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測(cè)速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的作用。主要內(nèi)容有兩大部分：力矩式自整角機(jī)：主要點(diǎn)：工作原理（如何跟隨），結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)。控制式自整角機(jī)：主要點(diǎn)：工作原理（輸出什么），結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)。自整角機(jī)在船上主要用作舵角指示器、車鐘等。4.3

自整角機(jī)

自整角機(jī)又稱為“軟軸”或“電軸”，接收機(jī)跟隨發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。主要有力矩式和控制式兩種（此外還有差動(dòng)式）。自整角機(jī)都是成對(duì)配合使用的。結(jié)構(gòu)：定子三相(整步)繞組，轉(zhuǎn)子單相(勵(lì)磁)繞組。

協(xié)調(diào)位置：工作時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子都不受力（或無(wú)輸出）所處的位置。

失調(diào)角：兩個(gè)轉(zhuǎn)子與協(xié)調(diào)位置相差的電角度。[注意]：力矩式輸出力矩；控制式輸出包含相位的電壓信號(hào)。

需要大轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)應(yīng)選用控制式自整角機(jī)。

接線：將兩機(jī)的三相整步繞組對(duì)應(yīng)相互連接，兩機(jī)的勵(lì)磁繞組與同一個(gè)單相電源連接。接交流電源三相整步繞組對(duì)應(yīng)相連發(fā)送機(jī)接收機(jī)A1X1，B1Y1，C1Z1分別是發(fā)送機(jī)的定子三相整步繞組。

I1II1是發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。A2X2，B2Y2，C2Z2分別是接收機(jī)的定子三相整步繞組。

I2II2是接收機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。4.3.1力矩式自整角機(jī)

協(xié)調(diào)位置：兩機(jī)的三相整步繞組感應(yīng)電勢(shì)大小相等、方向相反，整步繞組沒(méi)有電流流過(guò)，整步繞組不產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組不受力。

失調(diào)時(shí)：兩機(jī)的三相整步繞組感應(yīng)電勢(shì)不相等，整步繞組流過(guò)電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用（合成磁場(chǎng)），使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組受力?！甙l(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子由操作設(shè)備控制，其轉(zhuǎn)子不動(dòng)，只有接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)闇p小失調(diào)角的方向。[注意]：三相整步繞組中的電流是單相電流。兩機(jī)處于協(xié)調(diào)位置發(fā)送機(jī)偏轉(zhuǎn)造成失調(diào)失調(diào)時(shí)兩機(jī)的受力情況

處于協(xié)調(diào)位置時(shí)，兩機(jī)的三相整步繞組感應(yīng)電勢(shì)對(duì)應(yīng)相等，整步繞組中沒(méi)有電流流過(guò)，氣隙只有勵(lì)磁磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子都不受力。失調(diào)后整步繞組有電流，磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)子受力。

接線：兩機(jī)三相整步繞組對(duì)應(yīng)相連，發(fā)送機(jī)勵(lì)磁繞組連接單相