失调角也是随动系统中常用术语之一)。 由图 5 - 18 明
显可见δ=90°-γ, 代入式(5 - 11)得
第5章 自整角机
E2=E2max cos(90°-γ)=E2max sinγ
(5 - 12)
上式说明自整角机变压器 (ZKB)的输出电势与失调 角γ的正弦成正比, 其相应曲线形状如图 5 - 21 所示。 图上若在0°<γ<90°的范围内, 失调角γ增加输出电势 E2也增大； 若90°<γ<180° 时, 输出电势E2将随失调 角 γ增大而减小； γ=180°时 , 输出电势E2 又变为零。 但是, 当失调角γ变负时, 输出电势E2的相位将变反。
也就是失调同样的角度所获得的信号电压大, 因此系统
的灵敏度就高。
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图 5 - 23 输出电压在γ=0时的切线
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5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机
自整角机除了作成对 (ZKF 和 ZKB) 运行外 , 还可在 ZKF 和 ZKB 之间再接入控制式差动发送机即 ZKC 作控 制式运行。 其目的是用来传递两个发送轴的角度和或 角度差。 第 5.2 节已说明差动式自整角机的结构特点: 转子采用隐极式结构, 而且转子铁心的槽中放置有三相 对称分布绕组, 并通过三组集电环和电刷引出, 参考图 5 - 9； 定子和普通自整角机完全相同, 属三相对称绕组, 参考图 5 - 7(a)和图 5- 8。
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(4) ZKB的输出电势的有效值E2=E2max sinγ, 其中γ叫
失调角。 失调角γ=90°-δ,γ角 是实际ZKB转子绕组轴 线(从Z2′到Z1′方向)偏移(超前)协调位置( 方向)的角 X t 度(取正号)(图 5 - 20 所示)。 协调位置为输出电势等于 零的位置。 在失调角比较小时, U 2=U 2max γ, 这里γ的 单位取弧度(rad)。
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图 5 - 16 定子绕组中的电流
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由于发送机转子磁密轴线在空间的位置不变, 且其长 度(即模值)是时间的正弦(或余弦)函数, 故发送机定子合 成磁场也是一个脉振磁场。 脉振磁场可以分解为两个大小相同、方向相反的圆 形旋转磁场，分别在定子绕组中产生两组三相对称的感 应电动势，从而在接收机定子产生同样的两组三相对称 电压 （发送机和接收机定子绕组中点电位相同，都为 零）。发送机和接收机各对应相的定子电流大小相等、 方向相反。 接收机定子绕组产生的磁场必然也是脉振磁场，磁 场轴线方向与发送机的相反。接收机转子绕组感应电动 势与其转角有关。
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5.3.3 控制式自整角机的主要技术指标之一——比电压
输出电压和失调角的关系为U2=U2max sinγ, 在γ角很 小时, U2=U2max γ； 即此时可以用正弦曲线在γ=0处的切 线近似地代替该曲线, 如图5 - 23 所示。 这条切线的斜 率称为比电压或电压陡度, 其值等于在协调位置附近失 调角变化1°时输出电压的增量, 单位为V/(°)。 目前 国产自整角变压器的比电压的数值范围为0.3～1 V/(°)。 由图 5 - 23 可见, 比电压大, 就是上述的切线的斜率大,
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带有差动发送机(ZKC)的控制式自整角机工作原理 如图 5 - 24 所示。 这里有两只发送机, 一只是普通的自 整角发送机(ZKF), 另一只则是控制式差动发送机(ZKC)。 自整角变压器(ZKB)用来输出电压。 图中ZKC的三相定 子对称绕组引线端用C1、 C2、 C3表示, 其转子三相对 称绕组用C1′、 C2′、 C3′表示。 转子绕组某相轴线与对 应相的定子绕组轴线的夹角定义为差动发送机转轴输 入角θ2。
第5章 自整角机
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5.1 自整角机的类型和用途 5.2 自整角机的基本结构 5.3 控制式自整角机的工作原理 5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机 5.5 力矩式自整角机的运行 5.6 自整角机的选用和技术数据 思考途
自整角机属于自动控制系统中的测位用微特电机。 测位用微特电机包括： 自整角机、 旋转变压器(下一 章讲)、 微型同步器、 编码器等七类。 自整角机若按 使用要求不同可分为力矩式自整角机和控制式自整角 机两大类。 若按结构、 原理的特点又将自整角机分为 控制式、 力矩式、 霍尔式、 多极式、 固态式、 无刷 式、 四线式等七种。 而前两种是自整角机的最常用运 行方式。
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5.3.2 ZKB转子输出绕组的电势 若ZKF的转子绕组轴线与定子D1相绕组轴线空间夹 角为θ1时, 励磁磁通在D1相绕组中感应的变压器电势为： E1=E cosθ1(由式(5 - 4)得)。 同理, 当ZKB的定子合成磁 场的轴线与输出绕组轴线空间夹角为δ=θ2-θ1时, 合成磁
了接收轴和发送轴“自整角”或“自同步”的目的。
图中的“S、 R”(包括S′、 R′)分别表示定子、 转子绕组 的引线端符号(以前曾使用D、 E)。
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以上所分析的内容就是控制式自整角机的工作原理。 简单归纳如下： (1) ZKF的转子绕组产生的励磁磁场是一个脉振磁 场, 它在发送机定子绕组中感应变压器电势。 定子各相 电势时间上同相位, 其有效值与定、 转子间的相对位置 有关。 (2) ZKF 定子合成磁场的轴线与转子励磁磁场的轴 线重合, 但方向恰好相反。 (3) ZKF和ZKB的定子三相绕组对应联接, 两机定子 绕组的相电流大小相等、 方向相反,因而两机定子合成 磁场相对自己定子绕组位置的方向也应相反。
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图 5 - 22 随动系统中的ZKF-ZKB
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图 5 - 22 所示的随动系统中当ZKB输出绕组接上交 流放大器时, 可认为输出绕组电压也为： U 2=U 2max γ (5 - 13)
这个电压经放大后, 送给交流伺服电动机, 伺服电 动机就带着接收轴转动, 以缩小或消除转角差值, 达到
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无论自整角机作力矩式运行或者是控制式运行， 每一种运行方式在自动控制系统中自整角机通常必须 是两个(或两个以上)组合起来才能使用， 不能单机使 用。 若成对使用的自整角机按力矩式运行时， 其中有 一个是力矩式发送机(国内代号为ZLF， 国际代号为 TX)， 另一个则是力矩式接收机(国内代号为ZLJ， 国 际代号为TR)； 而成双使用的自整角机按控制式运行 时， 其中必然有一个是控制式发送机(国内代号为ZKF， 国际代号为CX)， 另一个则是控制式变压器(国内代号 为ZKB， 国际代号为CT)。 前述电机定子三相绕组为 Y形接法， 引出端符号分别为D1, D2, D3， 转子单相绕 组引出端用Z1和Z2表示， 如图 5 - 1
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图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图
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5.3.1 转子励磁绕组产生的脉振磁场及其作用
单相绕组通过单相交流电流， 在电机内部就会产 生一个脉振磁场， 这是一般交流电机的共性问题。 在这里结合自整角机的励磁磁场进行分析和讨论。
后， 励磁绕组将流 ZKF转子励磁绕组接通单相电压 U 1
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图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子
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5.3 控制式自整角机的工作原理
据前述， 自动控制系统中的自整角机运行时必须 是两个或两个以上组合使用。 以下我们以控制式自整 角机“ZKF”和“ZKB”成对运行为例来分析其工作原 理。 图 5 - 11 为它的工作原理电路图。 图中左边为自 整角机发送机(ZKF)， 右边为自整角机变压器(ZKB)。 ZKF和ZKB的定子绕组引线端D1, D2, D3和D′1, D′2, D′3 对应联接， 被称为同步绕组或整步绕组。
场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为
E2=E2max cosδ (5 - 11)
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式中, E2max 为ZKB输出绕组感应电势有效值达到最大时 的值, 即输出绕组轴线与定子合成磁场轴线重合时的电 势大小。 由于ZKF的励磁绕组外加电压 Uf 一般为固定 值, 成对运行的自整角机的参数也不变, 所以E2max 是一 个常数。
力矩式自整角机的功用是直接达到转角随动的目 的， 即将机械角度变换为力矩输出， 但无力矩放大作 用， 接收误差稍大， 负载能力较差， 其静态误差范围 为 0.5°～2°。 因此， 力矩式自整角机只适用于轻负 载转矩及精度要求不太高的开环控制的伺服系统里。
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图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图
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ZKF的转子绕组Z1, Z2端接交流电压Uj产生励磁磁通密
度， 故称之为励磁绕组； ZKB的转子绕组通过Z′1, Z′2 端输出感应电势， 故被称之为输出绕组。 图 5 - 11 的 自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件 下可以输出电势? 为便于分析起见， ZKF的转子单相 绕组轴线相对定子 D1 相绕组轴线的夹角用 θ1 表示， ZKB的输出绕组轴线相对 ZKB的定子D′1相绕组轴线的 夹角用θ2表示， 而且设图中的θ2>θ1。 以下通过分析 ZKF 的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就 能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理。
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图 5 - 20 控制式自整角机的协调位置
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图 5 - 21 控制式自整角机的输出电势
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若γ角用弧度作单位而且γ角又很小时, 数学上可以 令sinγ≈γ。 例如, 在γ=0°～10°(即0～0.174 53 rad)时, 用γ代替sinγ所造成的误差不大于0.51%； 在γ=0°～ 20°(即0～0 349 07 rad)时误差不大于2 02%……。 因 此, 失调角γ较小时, 可近似认为公式E2=E2max γ成立, 即 认为输出电势与失调角成正比。 这样输出电势的大小 就直接反映了发送机转轴和接收轴(随动系统中, 自整 角机变压器的转轴就是接收轴)之间差值的大小。