第二章船舶电机与电力拖动系统4.pptx

第二章 船舶电机与电力拖动系统 前前前前面面面面介介介介绍绍绍绍的的的的异异异异步步步步电电电电动动动动机机机机、直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机等等等等都都都都是是是是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务：如如如如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到递到递到递到 输入端作为反馈信号。输入端作为反馈信号。输入端作为反馈信号。输入端作为反馈信号。本节介绍的各种本节介绍的各种本节介绍的各种本节介绍的各种控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，传递控制信号，传递控制信号，传递控制信号，能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、自整角机。伺服电机、测速电机、自整角机。伺服电机、测速电机、自整角机。伺服电机、测速电机、自整角机。对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重重重重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。第二章 船舶电机与电力拖动系统伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输功能是将输功能是将输功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机4.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机可控性好反应迅速。是自动控伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。第二章 船舶电机与电力拖动系统4.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图第二章 船舶电机与电力拖动系统放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近位差接近9090,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图(a(a）接线图）接线图）接线图）接线图 1(b)(b)相量图相量图相量图相量图第二章 船舶电机与电力拖动系统 控制电压控制电压控制电压控制电压 与电源电压与电源电压与电源电压与电源电压 频频频频率相同，相位相率相同，相位相率相同，相位相率相同，相位相同或反相。同或反相。同或反相。同或反相。放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。相似之处。相似之处。相似之处。励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。电机无起动转矩，转子不转。电机无起动转矩，转子不转。电机无起动转矩，转子不转。若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流和控制绕组电流和控制绕组电流和控制绕组电流和控制绕组电流 不同相时，不同相时，不同相时，不同相时，因此便产生两相旋转因此便产生两相旋转因此便产生两相旋转因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。第二章 船舶电机与电力拖动系统 交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在在在在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。转。转。转。但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为象称为象称为象称为“自转自转自转自转”。如何克服如何克服如何克服如何克服“自转自转自转自转”现象呢现象呢现象呢现象呢？第二章 船舶电机与电力拖动系统正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性(正向正向正向正向)(反向反向反向反向)正正转转转转反反当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围0S0S1 1111当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围当单相励磁时，在电动机运行范围0S0S1 111时，转矩时，转矩时，转矩时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。样为制动转矩。样为制动转矩。样为制动转矩。第二章 船舶电机与电力拖动系统 加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励保持励保持励保持励磁电压不变磁电压不变磁电压不变磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。转矩也不同，从而改变电动机的转速。转矩也不同，从而改变电动机的转速。转矩也不同，从而改变电动机的转速。不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线n n=f f(T T),),U U1 1=常数常数常数常数T TU U2 20.8 U20.6 U20.40.4 U U2 2on 交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。第二章 船舶电机与电力拖动系统 在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广泛，如用泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。在各种自动控制、自动记录等系统中。应用应用应用应用:第二章 船舶电机与电力拖动系统4.1.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相直流电动机基本相直流电动机基本相直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机工作原理也与直流电动机相同。相同。供电方式：供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。个独立的电源供电。U1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压为电枢电压MU1I1I2U2放放放放大大大大器器器器U+直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图第二章 船舶电机与电力拖动系统由机械特性可知：由机械特性可知：由机械特性可知：由机械特性可知：(1)(1)一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，不变时，不变时，U U2 2 n n 。(2)(2)U U2 2=0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。时，电机立即停转。电动机反转：电动机反转：电动机反转：电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。直流伺服电机的机直流伺服电机的机械特性与他励直流电机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式相同一样，也可用下式表示表示机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的直流伺服电动机的n=f(T)曲线曲线(U1=常数常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO第二章 船舶电机与电力拖动系统 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。制等。直流伺服电机输出功率一般为直流伺服电机输出功率一般为1-600W。应用：应用：应用：应用：第二章 船舶电机与电力拖动系统4.2 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。测速发电机分为交流和直流两种类型。4.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。原理。第二章 船舶电机与电力拖动系统 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出输出绕组绕组+励磁励磁绕组绕组+第二章 船舶电机与电力拖动系统 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知：可知：当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割子切割 1 1产生转子感应电势产生转子感应电势E Er r和转子电流和转子电流I Ir r，它们的大小与它们的大小与 1 1和转子转速和转子转速 n 成正比：成正比：转子电流转子电流 Ir也产生磁通也产生磁通 r，r 在输出绕组在输出绕组中感应出电压中感应出电压U2 ，U2的大小与的大小与 r r成正比：成正比：第二章 船舶电机与电力拖动系统 综合上述分析可知：综合上述分析可知：当当 U U1 1恒定不变时，恒定不变时，U U2 2与与n 成正比，这样，成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。信号，输出给控制系统。由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出速发电机的输出电压电压 U U2 2与与n 间存在着一定的非间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。线性误差，使用时要注意加以修正。第二章 船舶电机与电力拖动系统4.2.2 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。励磁。他他励式直流测速发电机接线图励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+Ra+EI1U1+第二章 船舶电机与电力拖动系统 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势电枢产生电动势E，其大小为：，其大小为：发电机的发电机的输出电压为：输出电压为：上式中代入：上式中代入：于是于是第二章 船舶电机与电力拖动系统 可见，当励磁电压可见，当励磁电压U1保持恒定时（保持恒定时（亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不变，则输出电压不变，则输出电压U2的大小的大小与与电枢转速电枢转速 n 成正比。成正比。这样，发电机就把被测装这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。系统。0nU2RL2RL1RL=RL2RL1第二章 船舶电机与电力拖动系统 值得注意的是，由于直流电机中存在着电值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压枢反应现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定有一定的线性误差。的线性误差。RL越小、越小、n 越大，误差越大。因越大，误差越大。因此，在使用中应使此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速直流测速发电机的技术要求。发电机的技术要求。测速发电机的作用是将机械速度转变为电压测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。调节速度的作用。第二章 船舶电机与电力拖动系统主要内容有两大部分：主要内容有两大部分：l 力矩式自整角机：力矩式自整角机：主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。l 控制式自整角机：控制式自整角机：主要点：工作原理（输出什么）主要点：工作原理（输出什么），结构、特点。，结构、特点。自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。4.3 自整角机自整角机第二章 船舶电机与电力拖动系统 自整角机又称为自整角机又称为“软轴软轴”或或“电轴电轴”，接收机跟，接收机跟随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还随发送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还有差动式）。有差动式）。自整角机都是成对配合使用的自整角机都是成对配合使用的。结构：结构：定子三相定子三相(整步整步)绕组，转子单相绕组，转子单相(励磁励磁)绕组。绕组。协调位置：协调位置：工作时两个转子都不受力（或无输出）工作时两个转子都不受力（或无输出）所处的位置。所处的位置。失调角：失调角：两个转子与协调位置相差的电角度。两个转子与协调位置相差的电角度。注意注意：力矩式输出力矩；控：力矩式输出力矩；控制式输出包含相位的电压信号。制式输出包含相位的电压信号。需要大转矩的系统应选用需要大转矩的系统应选用控制式自整角机。控制式自整角机。第二章 船舶电机与电力拖动系统 接线：接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两将两机的三相整步绕组对应相互连接，两机的励磁绕组与同一个单相电源连接。机的励磁绕组与同一个单相电源连接。接交流电源接交流电源三相整步绕组三相整步绕组对应相连对应相连发送机发送机接收机接收机 A A1 1X X1 1，B B1 1Y Y1 1，C C1 1Z Z1 1分别是分别是发送机的定子发送机的定子三相整步绕组。三相整步绕组。I I1 1IIII1 1是发是发送机的转子励送机的转子励磁绕组。磁绕组。A A2 2X X2 2，B B2 2Y Y2 2，C C2 2Z Z2 2分别是分别是接收机的定子接收机的定子三相整步绕组。三相整步绕组。I I2 2IIII2 2是接是接收机的转子励收机的转子励磁绕组。磁绕组。4.3.1 力矩式自整角机力矩式自整角机第二章 船舶电机与电力拖动系统 协调位置：协调位置：两机的三相整步绕组感应电势大小两机的三相整步绕组感应电势大小相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。失调时：失调时：两机的三相整步绕组感应电势不相等，两机的三相整步绕组感应电势不相等，整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相互作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。发送发送机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收机转子转动，转动方向为减小失调角的方向。转子转动，转动方向为减小失调角的方向。注意注意：三相整步绕组中的电流是单相电流。：三相整步绕组中的电流是单相电流。第二章 船舶电机与电力拖动系统两机处于协调位置两机处于协调位置发送机偏转造成失调发送机偏转造成失调失调时两机的受力情况失调时两机的受力情况 处于协调位置时，两机处于协调位置时，两机的三相整步绕组感应电势的三相整步绕组感应电势对应相等，整步绕组中没对应相等，整步绕组中没有电流流过，气隙只有励有电流流过，气隙只有励磁磁场，转子都不受力。磁磁场，转子都不受力。失调后整步绕组有电失调后整步绕组有电流，流，磁场变化，转子受力。磁场变化，转子受力。第二章 船舶电机与电力拖动系统 接线：接线：两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁两机三相整步绕组对应相连，发送机励磁绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。绕组连接单相电源，接收机转子绕组为输出绕组。接交流电源接交流电源三相整步绕组对应相连三相整步绕组对应相连发送机发送机接收机接收机作为输出绕组作为输出绕组4.3.2 控制式自整角机控制式自整角机第二章 船舶电机与电力拖动系统 协调位置：协调位置：接收机的输出接收机的输出绕组与整步绕组产生的磁场平绕组与整步绕组产生的磁场平行，输出电压为零。行，输出电压为零。失调时：失调时：接收机的输出绕接收机的输出绕组与整步绕组产生的磁场不平组与整步绕组产生的磁场不平行，输出电压不为零。如果失行，输出电压不为零。如果失调方向发生变化，则输出电压调方向发生变化，则输出电压的相位变反（相差的相位变反（相差180）。）。输出与控制：输出与控制：控制式自整控制式自整角机可通过伺服电动机对所控角机可通过伺服电动机对所控制的机械进行驱动。制的机械进行驱动。协协调调位位置置正正、反反向向失失调调位位置置