第13章控制電機13.1伺服電動機13.2力矩電機13.3測速發(fā)電機13.4自整角機13.5旋轉(zhuǎn)變壓器小結(jié)

13.1伺服電動機

伺服電動機是一種把輸入控制電壓信號變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出的電動機。其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨電壓信號的方向和大小而改變，控制信號消失后，轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)，并且能帶動一定大小的負載，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。故伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。

根據(jù)供電電壓和電機類型的不同，伺服電動機分直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機的輸出功率較大，一般可達幾百瓦；交流伺服電動機的輸出功率較小，一般為幾十瓦。隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)以及電機控制理論的發(fā)展，許多新型伺服電動機不斷出現(xiàn)，如直流無刷伺服電動機、交流永磁同步伺服電動機等。鑒于本書前面已對相關(guān)內(nèi)容進行了介紹，本節(jié)只對直流伺服電動機和交流伺服電動機作簡要介紹。13.1.1直流伺服電動機

直流伺服電動機按磁極的種類可分為兩種：一種是永磁式直流伺服電動機，其轉(zhuǎn)子磁極是永久磁鐵；另一種是電磁式直流伺服電動機，其結(jié)構(gòu)和工作原理與他勵直流電機沒有本質(zhì)不同，直流伺服電動機就是微型的他勵直流電動機。

直流伺服電動機就其用途來講，既可作為驅(qū)動電動機，也可作為伺服電動機(例如錄像機、精密機床的電機)。下面就其作為伺服電動機時的性能進行分析。直流伺服電動機的控制方法有兩種：一種是電樞控制，通過改變電樞繞組電壓Ud的大小與方向來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；另一種是磁場控制，通過改變勵磁繞組電壓Uf的大小與方向來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，這種控制方式主要針對電磁式直流伺服電動機。后者的控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介紹電樞控制時的直流伺服電動機特性。

電樞控制是勵磁電壓Uf不變，控制電樞電壓Ud的控制方式。在控制過程中改變電樞繞組電壓Ud，主磁通Φ不變，忽略電樞反應(yīng)，可得直流伺服電動機的機械特性表達式為

式(13-1)是讀者比較熟悉的直流電機的機械特性方程。

1.直流伺服電動機的機械特性

根據(jù)式(13-1)可以繪出不同控制電壓Ud下的機械特性，如圖13-1所示。(13-1)圖13-1直流伺服電動機的機械特性由圖13-1可見，直流伺服電動機的機械特性為一組平行的直線。隨著控制電壓Ud的增加，直線的斜率β保持不變，機械特性向上平移。當(dāng)控制電壓Ud不變，轉(zhuǎn)矩Tem增大

時，轉(zhuǎn)速n降低，轉(zhuǎn)矩的增加和轉(zhuǎn)速的降低呈線性關(guān)系。直流伺服電動機的這種機械特性是十分理想的。

2.直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性

直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是指：在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與控制電壓Ud之間的關(guān)系n=f(Ud)。根據(jù)式(13-1)便可繪出不同負載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性，如圖13-2所示。圖13-2直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性從直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性可以看出，當(dāng)Tem一定時，控制電壓Ud越高，則轉(zhuǎn)速n越高，控制電壓增加與轉(zhuǎn)速增加之間成正比關(guān)系。另外還可以看出，當(dāng)n=0時，不同的轉(zhuǎn)矩需要的控制電壓Ud也不同。例如Tem=Tem1，Ud=Ud1，表示只有控制電壓Ud>Ud1時，電動機才能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Ud=0～Ud1時，電動機不能轉(zhuǎn)動。所以，稱0～Ud1區(qū)間為死區(qū)或失靈區(qū)，Ud1稱為始動電壓。當(dāng)Tem不同時，始動電壓也不同，Tem大的始動電壓也大；當(dāng)Tem=0即電動機理想空載時，只要有控制電壓Ud，電動機就能轉(zhuǎn)動。直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是很理想的。13.1.2交流伺服電動機

交流伺服電動機就是兩相異步電動機，其定子兩相繞組空間互成90°電角度。一相繞組為勵磁繞組f，另一相繞組為控制繞組K，轉(zhuǎn)子為鼠籠式轉(zhuǎn)子。電機運行時，勵磁繞組接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制電壓UK，兩者頻率相同。改變控制電壓UK的幅值或相位，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

1.交流伺服電動機的特性要求

作為伺服機，交流伺服電機除了必須具有線性度很好的機械特性和調(diào)節(jié)特性外，還必須具有伺服性，即控制信號電壓強時，電動機轉(zhuǎn)速高；控制信號電壓弱時，電動機轉(zhuǎn)速低；控制信號電壓等于零時，電動機不轉(zhuǎn)。但是，普通異步電動機的轉(zhuǎn)速不是轉(zhuǎn)矩的單值函數(shù)，而且只能在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，作為驅(qū)動用途的電動機，這一特性是合適的。但作為伺服電動機，則要求機械特性必須是單值函數(shù)并盡量具有線性特性，以確保在整個調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。為滿足這一要求，通常的做法是，加大轉(zhuǎn)子電阻，使得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率sm≥1，使電動機在整個調(diào)速范圍內(nèi)接近線性。一般情況下，轉(zhuǎn)子電阻越大，機械特性越接近線性，但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大輸出功率越小，效率越低。因此，交流伺服電機的效率比一般驅(qū)動用途的電機低。

總之，交流伺服電機除了必須有線性度好的機械特性和調(diào)節(jié)特性外，還必須具有伺服性。

2.交流伺服電動機的伺服性

對于普通兩相異步電動機，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，即使一相繞組從電源斷開，兩相異步電動機仍可作為單相交流電機運行。在0<n≤n1范圍內(nèi)，單相電機的轉(zhuǎn)矩Tem+>0，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿原轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，如圖13-3所示。圖13-3兩相交流電機單相運行時的機械特性如果交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子繞組與一般單相異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組一樣，那么正在運行的交流伺服電動機的控制電壓一旦變?yōu)榱?，電機就運行于只有勵磁繞組一相通電的情況下，電機必然在原來的旋轉(zhuǎn)方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只是轉(zhuǎn)速略有下降。這種信號電壓消失后伺服電動機仍然旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，對于伺服電動機應(yīng)絕對避免這種情況。

為了避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動機使用了很大的轉(zhuǎn)子電阻，使sm+=1，這時交流伺服電動機的機械特性如圖13-4所示。圖13-4交流伺服電動機自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的避免從圖13-4中所示的單相繞組通電時的機械特性可見，在正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線Tem+=f(s)上，Tem+=Tm+時的臨界轉(zhuǎn)差率sm+=1，Tem－=f(s)與Tem+=f(s)對稱。因此，電機合成電磁轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(s)通過零點，即無啟動轉(zhuǎn)矩；在0<n<n1時，Tem<0，是制動性轉(zhuǎn)矩；在0>n>－n1時，Tem>0，也是制動性轉(zhuǎn)矩。在這種情況下，本來正向運轉(zhuǎn)的交流伺服機(即圖13-4中的0<s<1段)，當(dāng)控制信號電壓消失后，由于一相繞組通電運行時的電磁轉(zhuǎn)矩是制動性的(即圖13-4中的Tem<0)，因而電動機轉(zhuǎn)速將被制動到n=0。顯然，只要sm+≥1，就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?？偨Y(jié)上述分析，由于兩相交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻很大，即sm+≥1，其機械特性在整個調(diào)速范圍內(nèi)接近線性。當(dāng)控制電壓為零(單相通電)時，交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩性的，所以電機立即停轉(zhuǎn)，不會發(fā)生“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

3.控制方式與運行特性

交流伺服電動機運行時，勵磁繞組所接電源一般為額定電壓，改變控制繞組所加電壓的大小和相位，電動機氣隙磁動勢則隨著控制電壓的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢，也有可能為脈振磁動勢。而由于氣隙磁動勢的不同，電動機機械特性也相應(yīng)改變，因而拖動負載運行的交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。這就是交流伺服電動機利用控制電壓的大小和相位的變化，控制轉(zhuǎn)速變化的原理。下面分別介紹交流伺服電動機的三種控制方法：幅值控制、相位控制和幅值－相位控制。

1)幅值控制及其特性

幅值控制接線如圖13-5所示。勵磁繞組f直接接至交流電源，電壓的大小為額定值?？刂评@組所加的電壓為，在時間上落后于勵磁繞組電壓90°，且保持90°不變，的大小可以改變。調(diào)節(jié)時，的大小可以表示為UK=αUKN，其中：UKN為控制繞組的額定電壓；α為控制信號電壓UK的標(biāo)幺值，其基值為控制繞組的額定電壓UKN，即α=UK/UKN。α又稱為有效信號系數(shù)。

當(dāng)有效信號系數(shù)α=0時，控制電壓UK=0，此時交流伺服電動機僅有勵磁繞組一相供電，氣隙合成磁動勢為脈振磁動勢。圖13-5交流伺服電動機的幅值控制當(dāng)有效信號系數(shù)0<α<1時，控制電壓0<UK<UKN，此時交流伺服電動機的勵磁繞組和控制繞組共同供電，但勵磁繞組磁動勢和控制繞組磁動勢兩者大小不等，氣隙合成磁動

勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。α越小，橢圓度越大，越接近脈振磁動勢。

當(dāng)有效信號系數(shù)α=1時，控制電壓UK=UKN，勵磁繞組磁動勢和控制繞組磁動勢大小相等，氣隙合成磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。

由此可以獲得不同α值的機械特性，如圖13-6所示。圖13-6交流伺服電動機的機械特性圖13-6中，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均采用標(biāo)幺值表示，選取α=1時的電動機的啟動轉(zhuǎn)矩Tst作為轉(zhuǎn)矩基值，以同步轉(zhuǎn)速n1作為轉(zhuǎn)速基值。

當(dāng)α=1時，負序旋轉(zhuǎn)磁動勢為零，Tem－=0，Tem=Tem+為最大，理想空載轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1。當(dāng)0<α<1時，正序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢減小，Tem+減小，而負序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢增大，伺服電動機的合成電磁轉(zhuǎn)矩為Tem=Tem+－Tem－。顯然，此時的合成電磁轉(zhuǎn)矩要比α=1時小。由于Tem－的存在，導(dǎo)致理想空載轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速n1。顯然，α越小，即兩相不對稱程度越大，則正序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢就會越小，負序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢就會越大，最終導(dǎo)致合成電磁轉(zhuǎn)矩減小，理想空載轉(zhuǎn)速下降。

當(dāng)α=0時，正、負序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值相等，機械特性Tem=f(s)如圖13-4所示。在圖13-6中，由于過原點不在第Ⅰ象限內(nèi)，因此未畫出?？梢?，交流伺服電動機的機械特性不是直線。在圖13-6所示的機械特性中，在0≤α≤1范圍內(nèi)，啟動轉(zhuǎn)矩的標(biāo)幺值等于α。

采用幅值控制時，交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性可以通過機械特性獲得。具體方法是：在機械特性上作許多平行于縱軸的直線，從而獲得一定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速與控制電壓UK之間的關(guān)系曲線n=f(UK)即為調(diào)節(jié)特性，如圖13-7所示。不同的曲線對應(yīng)于不同負載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性。圖13-7交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性從圖13-7可見，幅值控制時調(diào)節(jié)特性也不是直線，只在轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值較小時近似為直線。與直流伺服電動機類似，調(diào)節(jié)特性與橫坐標(biāo)軸交點的有效信號系數(shù)α的值，為始動電

壓的標(biāo)幺值。顯然，負載轉(zhuǎn)矩越大，始動電壓越高。始動電壓標(biāo)幺值與轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值的數(shù)值相等。

2)相位控制及其特性

通過改變控制繞組上電壓的相位來實現(xiàn)控制交流伺服電動機轉(zhuǎn)速的控制方式，稱為相位控制。相位控制的原理線路如圖13-8所示。圖13-8交流伺服電動機的相位控制交流伺服電動機進行相位控制，勵磁繞組f仍然直接接至交流電源，并保持額定值不變，控制繞組經(jīng)移相器接至交流電源，保持控制電壓的幅值為額定值，通過改變控制電壓和勵磁電壓之間的相位來改變轉(zhuǎn)速。設(shè)滯后的電角度為β，一般β=0～90°，定義sinβ為相位控制時的信號系數(shù)。采用相位控制，當(dāng)交流伺服電動機的控制信號發(fā)生變化時，氣隙合成磁動勢隨之改變。當(dāng)β=90°，sinβ=1時，氣隙合成磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢；當(dāng)β=0，sinβ=0時，氣隙合成磁動勢為脈振磁動勢；當(dāng)0<β<90°，0<sinβ<1時，氣隙合成磁動勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。這與幅值控制α=1、α=0、0<α<1時的情況相似，因此機械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制時也相似，為非線性，在標(biāo)幺值小的時候線性度較好。

3)幅值－相位控制及其特性

交流伺服電動機采用幅值－相位控制時的接線如圖13-9所示。圖中，勵磁繞組串聯(lián)電容后接至交流電源，控制繞組電壓的頻率和相位與電源相同，但幅值可調(diào)。

交流伺服電動機采用幅值－相位控制的機械特性與幅值控制時類似，為非線性，也在轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值小時線性度好。

以上三種控制方式中，相位控制的線性度最好，幅值－相位控制的線性度最差，但它的輸出功率較大，故采用較多。圖13-9交流伺服電動機的幅值－相位控制

13.2力矩電機

力矩電動機是一種低速、大力矩的電動機，直接拖動負載運行，其轉(zhuǎn)速直接受控于電壓信號，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。

采用力矩電動機拖動負載與采用高速伺服電動機經(jīng)過減速裝置拖動負載相比有很多優(yōu)點，如響應(yīng)快，精度高，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動小，能在低速場合下長期穩(wěn)定運行，機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好等，突出表現(xiàn)在低速運行時，轉(zhuǎn)速可低到0.00017r/min(4天才轉(zhuǎn)一圈)，其調(diào)速范圍可以高達幾萬乃至幾十萬（調(diào)速范圍指最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比），特別適用于高精度的伺服系統(tǒng)。力矩電動機可分為直流力矩電動機和交流力矩電動機兩大類，其工作原理與相應(yīng)的伺服電動機基本相同，只不過在結(jié)構(gòu)和外形尺寸上有所差異。力矩電動機為了能在相同體積和電樞電壓下獲得較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速，通常做成扁平式結(jié)構(gòu)。其電樞長度與直徑之比一般為0.2左右，而且電機的極數(shù)較多。圖13-10給出了永磁式直流力矩電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，定子1由永久磁鐵鑲嵌于定子構(gòu)成磁極，外部由銅環(huán)2固定。轉(zhuǎn)子鐵芯由導(dǎo)磁沖片疊壓而成，轉(zhuǎn)子槽中放有電樞繞

組，槽楔3由銅板制成，兼作換向片。電刷裝在刷架上，可根據(jù)需要調(diào)整位置。轉(zhuǎn)子4直接套在軸上，轉(zhuǎn)軸和機殼按控制系統(tǒng)的要求進行配制。

力矩電動機加電壓后，轉(zhuǎn)速為零時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零時的運行狀態(tài)稱為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。力矩電動機可以經(jīng)常用于低速和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。力矩電動機長時間堵轉(zhuǎn)運行且穩(wěn)定溫升不超過允許值時輸出的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的電樞電流稱為連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于零時，輸出轉(zhuǎn)矩小于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。力矩電動機的機械特性是直線。在很短時間內(nèi)，電樞電流超過連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流而又不使電機發(fā)熱燒壞，這樣電機將輸出較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。但電流太大會使永久磁鐵去磁，受去磁限制的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為峰值轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的電樞電流稱為峰值電流。永磁式直流力矩電動機的這些參數(shù)由技術(shù)數(shù)據(jù)給出。

交流力矩電動機的控制信號為交流信號，其工作原理與兩相交流伺服電動機相同，只不過其極數(shù)較多，外形呈扁平狀。

13.3測速發(fā)電機

在控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機是一種檢測元件，它能把機械轉(zhuǎn)速成比例地轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此應(yīng)用廣泛。測速發(fā)電機有交流測速發(fā)電機和直流測速發(fā)電機兩類。

13.3.1直流測速發(fā)電機

直流測速發(fā)電機包括電磁式和永磁式兩類。電磁式直流測速發(fā)電機采用他勵結(jié)構(gòu)，其工作原理與直流他勵電動機相同，如圖13-11所示。圖13-11直流測速發(fā)電機的工作原理直流測速發(fā)電機的勵磁繞組接固定電源Uf，勵磁繞組產(chǎn)生恒定磁場，電樞繞組在外力拖動下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，電樞上的導(dǎo)體切割氣隙磁通Φ，電刷兩端感應(yīng)的電勢Ea為

式中：p為極對數(shù)；N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)；a為電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)。(13-2)空載時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓就是空載電勢Ea，即U0=Ea，因此，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。負載以后，如果負載電阻為RL，電樞回路的總電阻為Ra(包括電刷接觸電阻)，則當(dāng)負載電流為I時，在不計電樞反應(yīng)的條件下，輸出電壓為

將式(13-2)代入式(13-3)，整理后得(13-3)

從式(13-4)可見，只要保持Φ、Ra、RL不變，直流測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，但當(dāng)負載電阻RL

減小時，輸出電壓隨之降低。RL為常數(shù)時的輸出特性如圖13-12所示。(13-4)圖13-12直流測速發(fā)電機的輸出特性從圖中可見，負載電阻越小，輸出電壓越低。隨著負載電阻的減小，電樞電流加大，電樞反應(yīng)的去磁作用增加，尤其在高速時，輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系不再滿足。為減少電樞反應(yīng)的影響，直流伺服電動機常常安裝補償繞組。

直流測速發(fā)電機能把轉(zhuǎn)速線性地變成電壓信號，直流伺服電動機能把電壓信號線性地變成轉(zhuǎn)速，所以，直流測速發(fā)電機和直流伺服電動機是兩種互為可逆的運行方式。

13.3.2交流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機有異步與同步之分，在自動控制系統(tǒng)中，交流異步測速發(fā)電機應(yīng)用較廣。這里僅介紹交流異步測速發(fā)電機的工作原理與運行特性。

1.結(jié)構(gòu)

目前廣泛應(yīng)用的交流異步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子都采用杯形結(jié)構(gòu)。定子上有兩相空間互差90°的分布繞組，其中一相繞組為勵磁繞組，另一相繞組為輸出繞組。轉(zhuǎn)子空心杯由電阻率較大的非磁性材料磷青銅制成。為減小主磁路的磁阻，空心杯轉(zhuǎn)子內(nèi)部還有一個由硅鋼片疊壓而成的定子鐵芯，該鐵芯稱為內(nèi)定子。圖13-13為一臺空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13-13空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖

2.工作原理

空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理如圖13-14所示。圖中，設(shè)互差90°空間電角度的勵磁繞組的軸線為直軸(d軸或交軸)，輸出繞組的軸線為交軸(q軸或直軸)。

當(dāng)勵磁繞組接頻率為f的單相交流電壓

時，勵磁繞組內(nèi)部便有交流電流流過，并沿d軸方向產(chǎn)生交變的脈振磁動勢Fd和相應(yīng)的脈振磁通Φd，其交變頻率f與外加電壓相同。圖13-14空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機n=0時的工作原理當(dāng)n=0，轉(zhuǎn)子靜止時，直軸脈振磁通Φd在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)變壓器電勢Edr，變壓器電勢Edr產(chǎn)生電流，電流產(chǎn)生直軸磁動勢Fdr。由于轉(zhuǎn)子空心杯結(jié)構(gòu)對稱，因此可以把空心杯轉(zhuǎn)子等效為無數(shù)多個并聯(lián)的兩相對稱繞組，這樣在空心杯中，由變壓器電勢Edr和相應(yīng)的電流引起的轉(zhuǎn)子磁動勢Fdr是一個與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)的常數(shù)，方向始終在d軸上，如圖13-14所示。實際上，直軸脈振磁通是由轉(zhuǎn)子磁動勢Fdr和定子磁動勢Fd之和產(chǎn)生的。由于直軸磁通和輸出繞組的軸線相互垂直，因而不會在輸出繞組中感應(yīng)電勢，交流測速發(fā)電機輸出電壓為零，即U2=0。當(dāng)n≠0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以后，轉(zhuǎn)子繞組切割直軸磁通，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生了一個q軸速率電勢，其大小為

Eqr∝Φdn

(13-5)

同樣在空心杯轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生q軸電流，不計轉(zhuǎn)子漏抗時，和基本同相位。電流產(chǎn)生q軸脈振磁動勢Fqr，其大小正比于Eqr，即

Fqr∝Eqr∝Φdn

(13-6)

Fqr產(chǎn)生相應(yīng)的q軸磁通，磁通沿q軸方向交變，并交鏈輸出繞組，在其中感應(yīng)電勢E2，如圖13-15所示。圖13-15空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機n≠0時的工作原理E2的大小與Fqr成正比，即

E2∝Fqr

(13-7)

聯(lián)立式(13-6)和式(13-7)有

E2∝Φdn

(13-8)

式(13-8)說明，交流測速發(fā)電機在勵磁繞組電壓不變，即勵磁磁通Φd不變時，發(fā)電機的輸出電勢E2只與轉(zhuǎn)速成正比，因此輸出電壓U2也只與轉(zhuǎn)速成正比。

13.4自整角機

自整角機是一種對角位移或角速度的偏差具有自整步能力的控制電機。在自動控制系統(tǒng)中，通常是兩個或兩個以上自整角機組合使用，其任務(wù)是將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號，或者將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)角信號輸出，使機械上互不相連的兩根或幾根轉(zhuǎn)軸同步偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)同步信號的傳輸、變換和接收。自整角機廣泛應(yīng)用于指示裝置和伺服系統(tǒng)中。13.4.1自整角機的基本結(jié)構(gòu)

自整角機的結(jié)構(gòu)與一般小型同步電機類似。自整角機的定子鐵芯上放置一套三相對稱繞組，稱為同步繞組。轉(zhuǎn)子為凸極式或隱極式，放置單相勵磁繞組。為了使氣隙磁場呈正弦分布，凸極氣隙一般制成不均勻的。自整角機的結(jié)構(gòu)如圖13-16所示。圖13-16自整角機的結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)工作原理自整角機分為力矩式和控制式兩種。力矩式自整角機的輸出是轉(zhuǎn)角，它主要用于帶動指針、刻度盤等輕負載，實現(xiàn)角度的傳輸；控制式自整角機主要用于傳輸系統(tǒng)中，作檢測元件，實現(xiàn)角度信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。下面分別介紹這兩種自整角機的工作原理。

13.4.2自整角機的工作原理

1.力矩式自整角機

力矩式自整角機的接線如圖13-17所示。兩臺自整角機中，一臺作發(fā)送機使用，另一臺作接收機使用，且兩臺自整角機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同。正常工作時，兩臺自整角機的勵磁繞組均接到同一交流電源上，而三相整步繞組則按照相序依次連接。圖13-17力矩式自整角機的接線圖發(fā)送機的A相繞組軸線a1與其轉(zhuǎn)子勵磁繞組軸線之間的夾角為θ1；接收機的A相繞組軸線a2與其轉(zhuǎn)子勵磁繞組軸線之間的夾角為θ2；兩自整角機的相對偏差角稱為失調(diào)角θ，θ=θ1－θ2。

失調(diào)角為零，即θ=0，θ1=θ2，也就是兩臺自整角機轉(zhuǎn)子位置角相同時，在轉(zhuǎn)子單相交流脈振磁勢的作用下，兩臺自整角機的整步繞組中將各自感應(yīng)電勢。由于參數(shù)和接線方式完全相同，因此兩套整步繞組中所感應(yīng)的線電勢大小相互抵消，導(dǎo)致各相整步繞組中的定子電流為零，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為零，兩臺自整角機將處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時轉(zhuǎn)子的位置稱為協(xié)調(diào)位置。當(dāng)發(fā)送機轉(zhuǎn)子在外力作用下逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度θ，相當(dāng)于整步繞組順時針轉(zhuǎn)過θ角后，兩自整角機轉(zhuǎn)子之間的位置角θ1和θ2將不再相等，而是存在一個失調(diào)角θ。此時，發(fā)送機和接收機整步繞組中所感應(yīng)的線電勢將不再相等，兩繞組之間便有均衡電流流過。均衡電流與兩轉(zhuǎn)子勵磁繞組所建立的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為整步轉(zhuǎn)矩。整步轉(zhuǎn)矩力圖使失調(diào)角θ趨向于零。由于發(fā)送機轉(zhuǎn)子與主令軸相接，不能任意轉(zhuǎn)動，因此，整步轉(zhuǎn)矩只能使接收機轉(zhuǎn)子跟隨發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ角，從而使兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角又保持一致。最終，整步轉(zhuǎn)矩為零，系統(tǒng)進入新的協(xié)調(diào)位置。下面進行定量分析。由于發(fā)送機和接收機的勵磁繞組接同一交流電源，因此建立時間同相位的脈振磁場，分別為Φ1和Φ2。由此在各整步繞組中，感應(yīng)出時間相位相同的變壓器電勢。因為各整步繞組軸線與脈振磁場軸線的空間夾角不同，所以各電勢的大小或方向不同。其有效值分別為

對于發(fā)送機(13-9)對于接收機

式中，E是勵磁繞組軸線與整步繞組軸線的夾角為0°，即兩繞組軸線正向重合時，該相整步繞組能獲得的最大感應(yīng)電勢，其有效值為E=4.44fNkw1Φm。其中，Nkw1為每相整步繞組的有效匝數(shù)，Φm為脈振磁場每極磁通的幅值。(13-10)當(dāng)失調(diào)角θ=0即θ1=θ2時，由式(13-9)和式(13-10)可知，兩機對應(yīng)各相整步繞組電勢的大小和相位都相同，由圖13-17可以看出，各回路電勢處于平衡，Ia=Ib=Ic=0，因而不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem，整個系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。

當(dāng)失調(diào)角θ≠0即θ1≠θ2時，兩機對應(yīng)各相整步繞組的電勢不平衡，各回路電勢差為(13-11)整步繞組每相的等效阻抗為Z，則定子各相繞組中的均衡電流為(13-12)式(13-12)中，均衡電流三相之和為零，所以自整角機三相星接無中線；同時，自整角機各相整步繞組的電流和勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢作用將產(chǎn)生整步轉(zhuǎn)矩。但是，由于勵磁繞組為單相，均衡電流是三相，因此，為分析整步轉(zhuǎn)矩方便，將三相整步繞組的三相均衡電流等效為兩相電流，兩相的d軸與勵磁軸線重合，q軸與d軸相互垂直，并沿逆時針方向超前90°，如圖13-17所示。

對于發(fā)送機有(13-13)對于接收機，由于三相整步繞組中的電流與發(fā)送機三相整步繞組中的電流大小相同、方向相反，因此，其三相整步繞組中的電流在d軸與q軸上的分量為

由于磁動勢正比于電流，因此發(fā)送機I1d、I1q產(chǎn)生的磁動勢在d軸與q軸上的分量為F1d、F1q，接收機I2d、I2q產(chǎn)生的磁動勢在d軸與q軸上的分量為F2d、F2q，如圖13-18所示。(13-14)圖13-18自整角機的d軸與q軸磁動勢(a)發(fā)送機；(b)接收機由圖13-18可見，無論是發(fā)送機還是接收機，在直軸方向上的磁動勢分量均為負值，表明整步繞組在直軸方向上的磁動勢與勵磁磁動勢相反，為去磁性質(zhì)。在實際工作中，失調(diào)角θ都在較小的范圍內(nèi)，則I1d、I2d以及相應(yīng)的直軸磁動勢F1d、F2d較小，可以忽略不計；而交軸方向上的磁動勢分量F1q、F2q對于發(fā)送機和接收機來講，其大小相等，方向相反。根據(jù)定子電流直軸和交軸分量的大小以及轉(zhuǎn)子的勵磁磁動勢Fd，便可求出失調(diào)角為θ時力矩式自整角機整步轉(zhuǎn)矩的大小。為了表述方便，規(guī)定沿直軸(d軸)和交軸(q軸)正方向為磁動勢和電流正方向，并取逆時針方向為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角正方向，直軸磁通Φd與正向交軸磁動勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負，即順時針轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)矩為負，如圖13-19所示。當(dāng)然，電磁轉(zhuǎn)矩的正方向為逆時針方向。圖13-19接收機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生與定向根據(jù)電機學(xué)的基本原理，只有直軸磁通Φd(或磁動勢)與交軸電流Iq(或磁動勢)或交軸磁通Φq和直軸電流Id相互作用才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，如圖13-19所示。由于整步繞組中直軸磁動勢(電流)較小，可以忽略不計，轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢主要集中在d軸上，因此整步轉(zhuǎn)矩的大小為

Tem=KΦdIq

(13-15)

式中，K為與電機有關(guān)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。將式(13-13)和式(13-14)中的I1q和I2q值帶入式(13-15)，得到發(fā)送機和接收機作用在定子上的整步轉(zhuǎn)矩的值分別為(13-17)(13-16)根據(jù)整步轉(zhuǎn)矩的定向規(guī)則，發(fā)送機直軸磁通Φd與負向交軸磁動勢F1q產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為正，接收機直軸磁通Φd與正向交軸磁動勢F2q產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為負。考慮了整步轉(zhuǎn)矩的方向后，得到發(fā)送機和接收機作用在定子上的整步轉(zhuǎn)矩分別為

Tem1=Tmsinθ

(13-18)

Tem2=－Tmsinθ

(13-19)從式(13-18)和式(13-19)可見，發(fā)送機和接收機的整步轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反。發(fā)送機整步繞組所產(chǎn)生的作用于定子的整步轉(zhuǎn)矩為逆時針方向，而接收機整步繞組所產(chǎn)生的作用于定子的整步轉(zhuǎn)矩為順時針方向?？紤]到整步繞組位于定子側(cè)，所以，作用到轉(zhuǎn)子軸上使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的整步轉(zhuǎn)矩的方向分別與式(13-18)和式(13-19)相反，即當(dāng)發(fā)送機轉(zhuǎn)子在外力作用下逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度θ1后，發(fā)送機轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為順時針方向，傾向于保持轉(zhuǎn)子原來的位置；而接收機轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為逆時針方向，驅(qū)使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過角度θ2，從而使兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度一致，即θ1=θ2，θ=0，最終整步轉(zhuǎn)矩為零，系統(tǒng)進入新的穩(wěn)定位置。自整角機的整步轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖13-20所示。其中，當(dāng)失調(diào)角θ=1°時的整步轉(zhuǎn)矩稱為比整步轉(zhuǎn)矩Tθ(或比轉(zhuǎn)矩)，它反映了自整角機的整步能力和精度。圖13-20自整角機的整步轉(zhuǎn)矩特性

2.控制式自整角機

若把力矩式自整角機的發(fā)送機和接收機的轉(zhuǎn)子繞組(即勵磁繞組)互相垂直的位置作為協(xié)調(diào)位置，而將接收機的轉(zhuǎn)子繞組斷開，則其線路圖如圖13-21所示，這樣接線的自整角機系統(tǒng)便成為控制式的自整角機。當(dāng)發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，即出現(xiàn)失調(diào)角θ時，接收機轉(zhuǎn)子繞組即輸出一個與失調(diào)角θ具有一定函數(shù)關(guān)系的電壓信號，這樣就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角信號向電壓信號的轉(zhuǎn)換。這時，接收機是在變壓器狀態(tài)下運行的，故在控制式自整角機系統(tǒng)中的接收機亦稱為自整角變壓器。圖13-21控制式自整角機的原理根據(jù)圖13-21所示的電路，若將發(fā)送機轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過一個角度θ1，即相當(dāng)于轉(zhuǎn)子不動而整步繞組順時針轉(zhuǎn)過θ1，則自整角變壓器轉(zhuǎn)子也將逆時針轉(zhuǎn)過一個角度θ2，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子不動而整步繞組逆時針轉(zhuǎn)過θ2，相應(yīng)的失調(diào)角為θ=θ1－θ2。在發(fā)送機勵磁磁場的作用下，發(fā)送機各相整步繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢E1a、E1b、E1c，這些電勢在發(fā)送機和自整角變壓器的整步繞組電路中產(chǎn)生電流Ia、Ib、Ic，這三相電流通過自整角變壓器的整步繞組時產(chǎn)生的磁動勢為F2a、F2b和F2c。與力矩式自整角機一樣，將三相磁動勢等效到d軸和q軸，其中d軸在轉(zhuǎn)子勵磁繞組的軸線上，q軸與d軸相互垂直，并沿逆時針方向超前90°，得，

及其合成磁動勢F2。由此可知，自整角變壓器整步繞組產(chǎn)生的合成磁動勢為(13-20)式中：Fm為整步繞組每相基波合成磁動勢的最大值。

合成磁動勢與d軸之間的夾角為

從式(13-20)和式(13-21)可知，合成磁動勢F2的空間位置為沿逆時針方向并與d軸(轉(zhuǎn)子勵磁繞組軸線)之間的夾角為θ，其幅值不變，如圖13-22所示。(13-21)圖13-22自整角變壓器整步繞組中的磁動勢由于發(fā)送機和自整角變壓器為完全相同的兩臺自整角機，因此，a1相整步繞組的軸線與a2相整步繞組的軸線重合，而發(fā)送機和自整角變壓器的勵磁繞組軸線相差90°，即自整角變壓器的勵磁繞組軸線與q軸重合。這樣，F(xiàn)2q在自整角變壓器勵磁繞組中感應(yīng)的電勢為E2=4.44fN2kw2Φ2q，其中

，由此可得自整角變壓器的

輸出電勢為(13-22)在精度要求高、負載轉(zhuǎn)矩大的同步角位移傳動系統(tǒng)中，多采用控制式自整角機系統(tǒng)，如圖13-23所示。其工作原理是：發(fā)送機將位移信號經(jīng)自整角變壓器后輸出電壓信號，經(jīng)放大后送給交流伺服電動機，伺服電動機再驅(qū)動較大負載，以此來實現(xiàn)高精度、大負載轉(zhuǎn)矩同步位移信號的傳遞。圖13-23控制式自整角機同步角位移傳動系統(tǒng)

13.5旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器就是二次側(cè)能旋轉(zhuǎn)的變壓器。由于它的一、二次側(cè)繞組之間的相對位置因二次側(cè)旋轉(zhuǎn)而改變，因此其耦合情況隨二次側(cè)旋轉(zhuǎn)而改變。所以，在一次側(cè)繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，二次側(cè)輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角而變化。旋轉(zhuǎn)變壓器按變壓器的原理工作，結(jié)構(gòu)上類似于一臺電機，如圖13-24所示。圖13-24旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器一般為兩極電機。定子、轉(zhuǎn)子鐵芯由電工鋼片疊壓而成，槽內(nèi)分別嵌放軸線互相垂直的兩相對稱繞組。通常，勵磁繞組D1D2和交軸繞組D3D4在定子上，而轉(zhuǎn)子上的Z1Z2和Z3Z4分別為余弦和正弦繞組，它們由滑環(huán)電刷引出。定子、轉(zhuǎn)子的兩相一般都是對稱的。

旋轉(zhuǎn)變壓器按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的關(guān)系可分為正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，線性旋轉(zhuǎn)變壓器，比例式旋轉(zhuǎn)變壓器和特殊函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器主要用于坐標(biāo)變換、三角函數(shù)運算和角度數(shù)據(jù)傳輸，也可用作移相器和角度數(shù)字的轉(zhuǎn)換裝置。下面主要分析正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理。13.5.1正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的空載原理

正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的空載電路如圖13-25所示。圖中，定子上的繞組D1D2和D3D4為正弦繞組，分別用D和Q表示，軸線用d和q表示；轉(zhuǎn)子上的繞組Z1Z2和Z3Z4也為正弦繞組，分別用A和B表示。圖13-25正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的空載電路空載時，轉(zhuǎn)子繞組A和B與交軸繞組Q開路，只有勵磁繞組D外加交流電壓，繞組D內(nèi)便產(chǎn)生脈振磁動勢Fa及其磁通Φm，這個磁場在時間上以電源頻率交變，空間上也認(rèn)為是正弦分布。當(dāng)繞組A相對于q軸逆時針轉(zhuǎn)動θ角時，Φm與A、B兩個繞組所交鏈的磁通分別為Φmcosθ和Φmsinθ，所以，勵磁繞組D、轉(zhuǎn)子A和B中的感應(yīng)電勢有效值分別為(13-23)式中：N1、kw1，N2、kw2分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組每相匝數(shù)及繞組系數(shù)；，為旋轉(zhuǎn)變壓器的電勢比。

式(13-23)中的所有感應(yīng)電勢是由同一脈振磁場產(chǎn)生的，所以在時間上它們都是同相位的，當(dāng)忽略勵磁漏抗壓降時，輸出電壓為(13-24)式(13-24)表明，正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓UA和UB與轉(zhuǎn)角信號θ分別成余弦和正弦函數(shù)關(guān)系。所以，A、B兩個繞組分別稱為余弦繞組和正弦繞組。

13.5.2正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負載原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦繞組和余弦繞組分別接負載ZA和ZB，而繞組Q仍保持空載時的情況稱為負載運行，如圖13-26所示。圖13-26正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負載電路正弦繞組和余弦繞組負載后，繞組中分別流過電流、，同時在A、B兩個繞組上產(chǎn)生磁動勢FA和FB，如圖13-27所示。圖13-27負載時的磁動勢空間相量將磁動勢FA和FB分別分解為d軸和q軸的分量為(13-25)(13-26)結(jié)合式(13-25)和式(13-26)及圖13-27可見，F(xiàn)Aq和FBq作用在q軸，且方向相反，其合成磁動勢為交軸脈振磁動勢，它亦在正弦、余弦繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這就造成正弦、余弦繞組中的輸出電壓的函數(shù)產(chǎn)生誤差。為了消除交軸電勢，要求

FAq=FBq即FAsinθ=FBcosθ

(13-27)

這時兩個磁動勢交軸分量大小相等、方向相反，相互抵消。此時，式(13-23)照樣成立，在忽略繞組漏阻抗壓降時，式(13-24)也成立，輸出電壓仍然是轉(zhuǎn)角θ的正弦、余弦函數(shù)。

為了使式(13-27)成立，正弦、余弦繞組的負載阻抗應(yīng)相等，即ZA=ZB。這就是副邊補償法。13.5.3原邊補償?shù)恼摇⒂嘞倚D(zhuǎn)變壓器

實際應(yīng)用中負載常常是變動的，副邊補償則難以實現(xiàn)。此外，由于工藝的原因，副邊兩相繞組本身就