《两相电机》PPT课件.ppt

第七章两相电机 两相电机包括两相伺服电动机和异步测速发电机 它们的结构主要由定子和转子两大部分组成 在它们的定子铁心上均嵌有空间互差900电角的两相绕组 转子有笼形和杯形两种结构 笼形转子的导条和杯形转子的杯子都采用电阻率较高的铜和铝的合金制成 7一1 两相伺服电动机一 概述 用途 两相伺服电动机是一种小型的交流异步电动机 它在自动控制系统中作为执行元件得到广泛的应用 结构 图7一1为笼形转子伺服电动机结构图 其转子结构与三相异步电动机笼形结构相同 与杯形转子相比 电机体积小 机械强度好 励磁电流小 所以这种结构的伺服电动机应用较多 1 第七章两相电机7 1两相伺服电机 2 图7一2为杯形转子伺服电动机结构图 它的定子分内 外定子 电工钢片制成 在内 外定子之间有空心杯转子 杯壁很薄 装在转轴上 其优点是转子惯量小 又由于无齿槽 故运行平稳 噪音小 缺点是电机气隙大 包括杯壁的厚度 所以励磁电流较大 从而增加电机的体积和质量 第七章两相电机7 1两相伺服电机 两相伺服电动机在其 外 定子铁心上嵌有空间互差900电角的两相绕组 一相接于电源电压的称为励磁绕组Nf 另一相接于控制电压Uc的称为控制绕组Nc 线路原理如图7一3所示 第七章两相电机7 1两相伺服电机 两相伺服电动机的运行将由控制电压Uc的大小和相位来控制 因此它的控制方式有幅值控制 相位控制和幅相控制三种 第七章两相电机7 1两相伺服电机 1 幅值控制 是保持两相电压相位差为900 而仅调节和控制电压的幅值 2 相位控制是保持控制电压的幅值不变 而仅调节其相位 3 幅相控制则是同时调节和控制电压幅值和相位 本章的内容将针对幅值控制进行介绍 第七章两相电机7 1两相伺服电机 二 基本工作原理和特性 一 椭圆旋转磁场两相伺服电动机在幅值控制的一般运行情况下 两相磁动势的时间相位差900 但它们的幅值是不相等的 且Fcm Ffm 它们所产生合成磁场是一个椭圆旋转磁场 对此问题本节将利用数学方法进行分析 第七章两相电机7 1两相伺服电机 为了使讨论的问题简化 假设两相伺服电动机为一对极 p 1 和两相绕组对称 空间相差900电角 绕组截面 匝数相等 阻抗相等 幅值控制时 两相绕组所加电压瞬时值表示式如下 Uf Ufmsin t一900 Uc Ucmsin t aUfmsin t 7一1 式中 Ufm Ucm分别为励磁和控制电压的最大值 a Ucm Ufm称为有效信号系数 第七章两相电机7 1两相伺服电机 由假设和式 7一1 两相磁动势的瞬时值表示式如下 f Ffmsin t一900 7一2 c Fcmsin t aFfmsin t式中 Ffm Fcm分别为励磁和控制磁动势的最大值 由上式 7一2 可得椭圆方程 c 2 Fcm 2 f 2 Ffm 2 1 7一3 或 c 2 aFfm 2 f 2 Ffm 2 1 7一4 合成磁动势F的幅值为F f 2 c 2 Ffm asin 2 t sin2 t 900 7一5 合成磁动势F的旋转角 为 arctan c f arctan sin t con t t式中 角速度为 t 将 t折算为转速n1 n1 60 t 2 60 1 当P 1 n 60f1 P 合成磁动势F的旋转方向由两相的相序决定 相序由超前至滞后 第七章两相电机7 1两相伺服电机 由以上分析可以得出 在幅值控制的情况下 0 a 1 Ucm Ufm 两相合成磁动势F的大小是变化的 并以同步转速n1旋转 其端点的轨迹是一个椭圆 其长半轴为Ffm 短半轴为Fcm 所产生的磁场为椭圆旋转磁场 a角的大小决定了磁场椭圆的程度 随a的增大 磁场椭圆度减小 见图7一4 b c 当a 1 图形是一个圆 见图7一4 a 即产生圆形旋转磁场 当a 0 图形是一条线 见图7 4 d 即产生脉动磁场 它们是椭圆磁场的两种极限情况 由此可见 a的大小表征了伺服电动机所施加控制信号的大小 所以称为有效信号系数 第七章两相电机7 1两相伺服电机 二 椭回旋转磁场的分解法为了将三相异步电动机圆旋转磁场的理论应用到两相伺服电动机中来 这里采用椭圆旋转磁场的分解法将椭圆旋转磁场分解为两个圆形旋转磁场来代替 第七章两相电机7 1两相伺服电机 首先将每相脉动磁动势分解为两个脉动磁动势 f和 c f Ffmsin t一900 1 a 2 Ffmsin t一900 1 a 2 Ffmsin t一900 f1 f2 c aFcmsin t 1 a 2 Ffmsin t 1 a 2 Ffmsin t一1800 c1 c2 7一6 其中 f1 1 a 2 Ffmsin t一900 c1 1 a 2 Ffmsin t f2 1 a 2 Ffmsin t一900 c2 1 a 2 Ffmsin t一1800 然后对分解后的脉动磁动势分别进行合成 f1和 c1幅值相等 相位差900 相序与原来相同 其合成磁动势F 产生一个正向圆形旋转磁场 转向与原来椭圆旋转磁场相同 f2和 c2幅值相等 相位差900 相序与原来相反 其合成磁动势F 产生一个反向圆形旋转磁场 转向与原来椭圆旋转磁场相反 通过上面的分析可知 椭圆磁动势可用两个转速相同 转向相反 大小不等的圆形旋转磁动势来代替 它们对应产生两个圆形旋转磁场 其中一个转向与原来椭圆旋转磁场转向相同 称为正向圆形旋转磁场 其大小为 1 a Ffm 2 另一个则相反 称为反向圆形旋转磁场 其大小为 1一a Ffm 2 见图7一5 第七章两相电机7 1两相伺服电机 三基本特性两相伺服电机具有稳定运行 无自转和快速响应等特性 1 稳定运行由第四章中得出的结论 电动机稳定运行的条件是电动机机械特性的斜率dTem dn 0 下面首先利用椭圆旋转磁场分解法得出两相伺服电动机的机械特性 从而得出它具有稳定运行的特性 根据椭圆旋转磁场分解法 一个椭圆旋转磁场可分解成转速相等 转向相反 幅值不等的两个圆形旋转磁场 第七章两相电机7 1两相伺服电机 6 两个旋转磁场都将在转子中感应电动势并产生电流 产生转矩 仿照图6一19的作法 可画出它们的机械特性曲线 如图7一6所示 T 曲线和T 曲线分别表示正 反向旋转磁场与转子作用产生的正 反向转矩 它们与图6 19的差别仅在于 图6 19的T 曲线和T 曲线形状相同 但图7 6中的T 曲线高于T 曲线 这是由于反向磁场小于正向磁场之故 另外因为两相伺服电动机转子电阻大 第七章两相电机7 1两相伺服电机 在图7 6中 S m 1 则T max在第二象限 T max在第四象限 所以图中曲线Tem 是由T 曲线和T 曲线合成得到 这使得在第一象限内是下降的曲线 它就是两相伺服电动机在椭圆旋转磁场作用下的机械特性曲线 第七章两相电机7 1两相伺服电机 6 从图7一6可以看出 与圆形旋转磁场相比 在椭圆旋转磁场中 由于反向磁场的存在 产生了附加的制动转矩T 因而使得电机电磁转矩减小 同时理想空载转速n 也小于同步转速n1 显然 磁场椭圆度越大 反向转矩就越大 机械特性就越低 理想空载转速n1也就越低 从上面分析得知 两相伺服电动机的机械特性在0 n1的范围内曲线是下降的 即dTem dn 0 故其运行是稳定的 第七章两相电机7 1两相伺服电机 显然 磁场椭圆度越大 反向转矩就越大 机械特性就越低 理想空载转速n1也就越低 从上面分析得知 两相伺服电动机的机械特性在0 n1的范围内曲线是下降的 即dTem dn 0 故其运行是稳定的 第七章两相电机7 1两相伺服电机 在系统中 由于控制信号是随时改变的 根据图7一6可画出两相电动机在不同有效信号系数a时的特性曲线 如图7一7所示 图中实线为理想情况下的机械特性 它们为一族不平行的直线 虚线为实际的机械特性曲线 第七章两相电机7 1两相伺服电机 2 无自转无自转是指两相伺服电动机在空载运行时 控制信号突然消失 U 0 转子立即停转的现象 这是系统对它的基本要求 下面分析两相伺服电动机因转子电阻大而保证无自转原因 两相伺服电动机无自转时 它是在单相脉动磁场条件下工作的 根据脉动磁场分解法 一个单相脉动磁场可分解成两转速相等 转向相反的旋转磁场 两个旋转磁场都将在转子中感应电动势和电流 并产生转矩 第七章两相电机7 1两相伺服电机 仿照图6一19的作法 可画出它们的机械特性曲线 如图7一8所示 图中虚线表示单相电机的机械特性曲线 实线表示两相电机的特性曲线 T 和T 分别表示正 反向旋转磁场与转子作用产生的正 反向转矩曲线 两相电机的T 和T 与单相电机的关键区别在于它们所对应的临界转差率Sm不同 两相伺服电动机转子电阻大 T 所对应 第七章两相电机7 1两相伺服电机 T 和T 分别表示正 反向旋转磁场与转子作用产生的正 反向转矩曲线 两相电机的T 和T 与单相电机的关键区别在于它们所对应的临界转差率Sm不同 两相伺服电动机转子电阻大 T 所对应的临界转差率S m 1 则T maxa在第二象限 而T 所对应的临界转差率1 s m 0 则T maxa在第四象限 因此T 和T 的合成曲线Tem在第四象限均是负值 即是制动转矩 制动转矩保证了单相供电时转子不会旋转 也保证了在运行过程中 一旦控制信号消失 电机立即停转 即无自转 转子电阻越大 机械特性越接近直线 为了保证无自转要增大转子电阻 一般使其临界转差率Sm 1即可 第七章两相电机7 1两相伺服电机 3 快速响应如前所述 电动机快速响应的特性可由对其动态特性进行分析得到 关于两相伺服电动机的动态特性分析方法与直流伺服电动机相同 由于其机械特性基本上是线性 因此在一定阶跃控制电压的作用下 转速的变化规律完全类同图4一6 特性曲线表明以下点 1 当n 0时 Tem Tst 称为启动转矩或堵转转矩Td 2 当Tem 0时 n no 称为理想空载转速 3 斜率K1 Ra CECT 2 n Tem K1大 表示转矩变化引起转速的变化大 即特性软 反之 K 小 特性硬 4 Uc不同 可以得到一族平行的机械特性曲线 Uc减小 机械曲线平行下移 见图4 6 这是因为斜率K1只与电机本身的参数有关 而Uc变化并不影响K1 5 特性曲线是一条下倾的直线 即dn dTem 0 为负斜率 伺服电动机在整个转速范围内能够稳定运行 其机电时间常数Tm正比于转动惯量以及机械特性斜率 必须指出 两相伺服电动机的转动惯量比直流伺服电动机的转动惯量小得多 但是如果体积相同 则交流伺服电机的转矩小 所以它的机电时间常数一般比直流伺服电动机还是小一些 若计及整个负载的惯量 则交流伺服系统动态响应常不如直流伺服系统 第七章两相电机7 1两相伺服电机 四 其它1 空载始动电压Uc0在额定励磁电压和空载的情况下 使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压 该电压称为空载始动电压Uc0 通常以额定控制电压的百分比来表示 Uc0越小 表示伺服电动机的灵敏度越高 一般Uc0要求不大于额定控制电压的3 4 使用精密仪器中的两相伺服电动机 有时要求不大于额定控制电压的1 第七章两相电机7 1两相伺服电机 9 2 机械特性的非线性度Km在额定励磁电压下 任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性中转矩T Tst 2时的转速偏差与空载转速n0之比的百分数 称为机械特性非线性度Km 即K n n0X100 机械特性的非线性度Km如图7一9所示 第七章两相电机7 1两相伺服电机 10 3 调节特性及非线性度Kv 调节特性表示当输出转矩一定时 转速与有效信号系数a的关系为n a 在额定励磁电压和空载情况下 当a 0 7时实际调节特性和线性调节特性的转速偏差与a 1时的空载转速之比的百分数 称为调节特性非线性度Kv 即Kv n n0X100 调节特性的非线性度如图7一10所示 第七章两相电机7 2异步测速发电机 一 基本结构和工作原理 一 基本结构交流测速发电机的结构与两相伺服电动机的结构相似 它的转子结构有笼形和杯形两种 杯形转子采用电阻率较高的铜 硅锰青铜或锡锌铜等 和铝合金制成的薄壁非磁性杯 杯壁厚仅为 0 2 0 3 mm 内 外定子铁心构成磁回路 其原理结构如图7一2所示 第七章两相电机7 2异步测速发电机 它的定子上放有空间相差90 电角度的两相绕组 一个是励磁绕组Nf 另一个是输出绕组N2 对于杯形测速发电机 在小机座号的电机中 一般把两相绕组都放在内定子上 在较大机座号电机中 常把励磁绕组放在外定子上 而输出绕组放在内定子上 另外 为了便于调节内 外定子的相对位置 使剩余电压最小 在内定子上常装有调节装置 笼形转子的测速发电机输出斜率大 灵敏度高 但输出特性的线性度差 相位误差和剩余电压也大 杯形转子的交流测速发电机精度高 所以应用最广泛 本节重点介绍这种测速发电机 二 基本工作原理异步测速发电机与直流测速发电机一样 是一种测量和传送转速信号的元件 它可以将转速信号转变为电信号 理想的测速发电机的输出电压U2与它的转速成线性关系 U2 Kn 其中K为比例系数 1 转子不转图7一11 a 是杯形测速发电机转子不转时的原理图 其杯子可看成是一个笼条数目非常多的笼形转子 11 效果演示 第七章两相电机7 2异步测速发电机 当频率为 1的励磁电压Uf加在绕组Nf上以后 绕组Nf产生电流if 在测速机气隙中就会产生一个与Nf轴线一致 频率为f1的脉振磁通 f 则要在静止的转子中感应电动势ed 其作用类似于变压器 故称变压器电动势 从而产生转子电流id 并由此建立磁通 d 根据楞次定律 某瞬间 d的方向与 f相反 起去磁作用 这样 在电机直轴方向 Nf轴向 得到直轴合成磁通 d 在理论上 由于直轴合成磁通 d的轴线与输出绕组N2的轴线相互垂直 故在N2中不感应电动势 但在实际上 由于各种原因 在N2中有信号输出 此误差称为剩余电压 第七章两相电机7 2异步测速发电机 11b 2 转子旋转当转子由某一机械拖动顺时针以转速 旋转后 见图 一11 b 直轴合成磁通在转子中产生交轴电动势ep 称为切割电动势或速率电动势 其方向由右手定则决定 大小用瞬时值表示为 Ep IvBdsin2 1t L Dn 60 Bdsin2 1t an dsin2 1t其有效值为 Ep a 1 414 n d式中 a为常数 第七章两相电机7 2异步测速发电机 上式说明 当 d为常数时 切割电动势ed的大小由转速n决定 而其频率由磁通 d的频率决定 即由电源频率决定 而与转子转速无关 在eq的作用下 产生交轴电流iq 按右手定则可以决定交轴磁通 d的方向 磁通代以电流iq的频率即电源的频率脉动 其大小与转速n成正比 第七章两相电机7 2异步测速发电机 由于 d在交轴方向脉动 故在输出绕组中产生变压器电动势 其有效值E2为E2 4 44N2 1 dm因为4 44N2 1 常数而 dm n故空载时U2 E2 unn式中 N2 输出绕组有效匝数 un 单位转速产生的输出电压 即测速机的输出斜率 通常规定为转速1000r min时的输出电压 一般为0 5V 5V kV min 1 第七章两相电机7 2异步测速发电机 12 从上式可以看出 输出电压U2的大小与转速成正比 这种关系称为输出特性 其图形见图7一12的直线 这样 异步测速发电机就可以很好地将转速信号变成电压信号 实现测速的目的 还应指出的是 因为U2的频率决定于 d的频率即电源的频率 而与转速无关 这是它非常重要的优点 第七章两相电机7 2异步测速发电机 12 二 主要技术指标及误差分析1 线性误差 x上述测速发电机的线性输出特性是理想状态的空载特性 实际上测速机输出特性并非线性 而是如图7一12中的曲线 这是由于两相绕组不对称 磁路不对称 电机发热引起电阻的变化以及负载的大小及性质对特性影响而造成的 第七章两相电机7 2异步测速发电机 我们用线性误差 x来衡量实际输出特性的线性度 线性误差 x是指测速发电机在转速范围内的输出电压和线性输出电压的最大差值与最大理想输出电压U2max之比 如图7 12所示 x Umax U2max Xloo 一般取实际输出特性上对应最大转速nmax的0 866的点与坐标原点连线作为线性输出特性 第七章两相电机7 2异步测速发电机 2 输出相位移 和相位误差 异步测速发电机的输出电压 与励磁电压 f之间的相位差称为输出相位移 可由图7一13的相量图说明它总是存在的 图中所示励磁绕组各相量关系与变压器一次绕组各相量关系相同 而不同的是 测速机转子杯切割电动势 q的相位与 d相同 转子电流 q d 必然落后 q 角 输出感应电动势 相位落后 d900而与 f相夹 角 其输出电压 就与 f相夹 角 而与 f相夹 角 角为输出相应位移 效果演示 第七章两相电机7 2异步测速发电机 14 相位误差是指在规定转速范围内 输出电压与励磁电压之间相位移的变化量 如图7一14所示 一般要求其值不超过10 20 在励磁回路中 采取补偿措施可减小相位误差 第七章两相电机7 2异步测速发电机 3 剩余电压Us 前面已提到过 实际异步测速发电机转速为零时输出电压不为零 该电压称为剩余电压 产生剩余电压的主要原因是由于定 转子磁场和电场的不对称 例如定子两相绕组不正交 磁路不对称 绕组匝间短路 铁心片间短路 转子杯材料不均匀及杯壁厚不均匀等等 为了减小剩余电压 一般采取提高加工质盘 采用补偿绕组及磁路补偿等方法 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 两相电机具有结构简单 结实耐用 经济可靠及动态响应性好等优点 它克服了直流电机存在换向器 电刷维护困难 造价高 寿命短 应用环境受到限制的缺点 所以尽管它们有一定的缺点 如两相伺服电动机在控制性能 工作特性线性度方面不如直流电机好 但在自动控制系统中应用还是相当广泛的 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 与直流伺服电动机相同 两相伺服电动机主要用作随动系统 遥测和遥控系统中的执行元件 与直流测速发电机相同 异步测速发电机主要用作阻尼 反馈元件和解算装置中的解算元件 下面以具体实例加以说明 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 一 用于航向陀螺磁罗盘系统航向陀螺磁罗盘是飞机上的航向指示仪表 它由磁罗盘 航向陀螺仪和一些修正机构所组成 磁罗盘在飞机作水平直线飞行时可以给出磁航向 但飞机作转弯 加速等运动时 因受加速度干扰磁罗盘会产生很大的指示误差 航向陀螺仪具有定轴性 不受加速度干扰 但不能给出相对正北的航向 将航向陀螺仪与磁罗盘组合起来可以克服上面的缺点 当飞机作水平直线飞行时 使航向陀螺仪的方向修正到磁航向上 当飞机作转弯 加速等各种运动时 断开磁航向修正 就用航向陀螺仪所保持的航向为指示 将航向陀螺仪的方向修正到磁航向要用一套随动系统 其原理图如图7一15所示 图中自整角机B的转子与磁罗盘固连 转子的转角就表示了磁航向角 自整角机C的转子与航向陀螺仪相连 转子的转角就表示了航向陀螺仪角 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 当两转子的转角不同时 在自整角机B的转子中感应出一个电压 经放大后驱动两相伺服电机 使航向陀螺仪的方向修正到磁航向上 两相伺服电机在该系统中作为执行元件使用 这种仪表可以提高航向角的测量精度 扩大使用范围 在飞机上获得广泛的应用 自整角机工作原理将在第十章介绍 二 用于计算装置在控制系统中 经常需要获得代表某一输入函数积分的电压或轴位移 图7一16为利用两相伺服一异步测速发电机机组实现积分运算的原理电路图 图7一16实际上是由一个速度控制方式的伺服系统和一个积分电路组成 其工作原理简述如下 两相伺服电动机接通电压 带动异步测速发电机一起转动 测速发电机输出电压 k k为比例系数 为机械角速度 它的一部分电压 与输人电压 相比较 差值电压 经放大器放大后 加到伺服电动机控制绕组 以控制伺服电动机的转速 电动机通过齿轮减速带动输出电位器转动 其转角为 输出电压为 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 当放大器的放大倍数足够大时 为 U1 U3 对式 7一7 两边进行积分 t00U1dt t00U3dt 7 8 考虑 d dt和式 7 8 以后 电位器的输出电压U4为 U4 t00 dt t00U1dt 7 9 式 7 9 说明输出电位器的输出电压U4 或角位移 反映了输入电压U 从0到t 时间内的积分 三 用于检测装用两相伺服电动机组成的自动化仪表和检测装t的例子是非常多的 例如 电子自动电位差计 电子自动平衡电桥以及某些轧钢检测仪表等 图7一17为钢板厚度测量装置示意图 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 该侧量装里使用了两个电离室和两个放射源 所谓放射源是指用某些放射物质自动地放射出一种射线 这些射线穿过钢板厚度进人电离室 使气体电离并产生离子 在电离室外加电压的作用下 正离子向阴极 电子向阳极流动形成电流 这些电流是射线强度的函数 钢板厚度不同 进人电离室的射线强弱不同 产生的电流大小也不一样 因而 电离室的输出电压也就不同 第七章两相电机7 两相电机的应用举例 正常情况下 当钢板厚度s和标准调节片的厚度相同时 两电离室的物出电压U1 和U2相等 放大器的输入电压 U U1 U2 0 当钢板厚度改变时 则电离室1和电离室2的翰出电压U1 U2 差值电压 U 0 经放大后 加到伺服电动机的控制绕组Nc上 伺服电动机转动并移动标准调节片 直到标准调节片的厚度与被测的钢板厚度相等为正 进人两电离室的射线相等 输出电压U1 U2 当 U 0时 电动机就停止转动 此时指针可在刻度盘上直接指示出钢板的厚度 第七章两相电机小结 两相伺服电动机的基本工作原理和三相异步电动机基本相同 所不同的是 伺服机经常处于不对称状态 即在椭圆磁场下工作 因而我们重点介绍了利用分解法可把椭圆磁场分解成一个正向圆形旋转磁场和一个反向圆形旋转磁场 从而可以利用圆形旋转磁场的方法来分析两相伺服电动机的各种问题 在这一章中 椭圆旋转磁场是一个非常重要的物理概念 是两相伺服电动机运行原理的基础 必须掌握 两相伺服机特点之一是其转子电阻大 因而其机械特性较三相异步机有较大的区别 如启动转矩大 特性具有负斜率 也正是由于上述特点 满足了系统对电机提出的稳定运行 线性调节和无自转的要求 异步测速发电机的基本原理基于交直轴电磁理论 即把气隙合成磁场分解成沿d轴和q轴的二个脉振磁场 这样就可以很好地利用电磁感应理论分析测速机了 为了改善系统的工作条件 提高精度 常把异步测速发电机和两相伺服电动机制成同轴电机 称伺服测速机组 第七章两相电机小结 两相伺服机特点之一是其转子电阻大 因而其机械特性较三相异步机有较大的区别 如启动转矩大 特性具有负斜率 也正是由于上述特点 满足了系统对电机提出的稳定运行 线性调节和无自转的要求 异步测速发电机的基本原理基于交直轴电磁理论 即把气隙合成磁场分解成沿d轴和q轴的二个脉振磁场 这样就可以很好地利用电磁感应理论分析测速机了 为了改善系统的工作条件 提高精度 常把异步测速发电机和两相伺服电动机制成同轴电机