1、船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第六章第六章 控制电机控制电机 本章概述本章概述o 控制电机是自动控制系统中应用范围非常广泛的旋转电控制电机是自动控制系统中应用范围非常广泛的旋转电器。在船舶控制系统中也得到了广泛应用。例如船舶雷器。在船舶控制系统中也得到了广泛应用。例如船舶雷达的自动定位、方向舵的自动操纵与监测、传令用电车达的自动定位、方向舵的自动操纵与监测、传令用电车钟，调速装置等都要使用控制电机。钟，调速装置等都要使用控制电机。o 控制电机种类很多，根据它们在自动控制系统中的作用，控制电机种类很多，根据它们在自动控制系统中的作用，可分为执行元
2、件和测量元件两大类。执行元件主要包括可分为执行元件和测量元件两大类。执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电动机等，它的任务是将输交、直流伺服电动机、步进电动机等，它的任务是将输入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量元件主要包括交、直流测速发电机、自整角机等，它可元件主要包括交、直流测速发电机、自整角机等，它可以用来测量机械转角、转角差和转速等。以用来测量机械转角、转角差和转速等。o 本章介绍几种船舶常用的控制电机的基本结构、工作原本章介绍几种船舶常用的控制电机的基本结构、工作原理、特性和用途。理、特性和用途。船舶电气设备与系统 课
3、件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第第6章章 控制电机控制电机本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 第二节第二节 测速发电机测速发电机 第三节第三节 自整角机自整角机 船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机在控制系统中是用作驱动控制对象的执行元伺服电动机在控制系统中是用作驱动控制对象的执行元件，它的转矩和转速受信号电压的控制。件，它的转矩和转速受信号电压的控制。特点：特点：当有电信号（交流控制电压或直流控制电压）输入到当有电信号（交流控制电压或直流控制电压）输入
4、到 伺服电动机的控制绕组时，它就马上拖动被控制的对伺服电动机的控制绕组时，它就马上拖动被控制的对 象旋转；当电信号消失时，它就立即停止转动。象旋转；当电信号消失时，它就立即停止转动。伺服电动机分为交流和直流两种类型。伺服电动机分为交流和直流两种类型。返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机 1.结构特点结构特点 交流伺服电动机实际上是两相异步电动机。其基本结构交流伺服电动机实际上是两相异步电动机。其基本结构 和一般异步电动机相似。定子铁心上装有空间相隔和一般异步电动机相似。定子铁心上装有空间相隔90 的两个绕组：一
5、个是励磁绕组，另一个是控制绕组。的两个绕组：一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。定子的铁心分隐极式和凸极式，定子的铁心分隐极式和凸极式，图图6-16-1为凸极形定子铁为凸极形定子铁心。隐极形式的定子铁心形状与三相异步电动机相同，心。隐极形式的定子铁心形状与三相异步电动机相同，但绕组是由两个空间相差但绕组是由两个空间相差9090的绕组制成。的绕组制成。伺服电动机的转子有鼠笼式转子和杯形转子两种。伺服电动机的转子有鼠笼式转子和杯形转子两种。杯形转子伺服电动机的结构如杯形转子伺服电动机的结构如图图6-1所示。所示。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-
6、1 杯形转子伺服电动机的结杯形转子伺服电动机的结构构图图返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系2.工作原理工作原理 （1）控制绕组加控制电压）控制绕组加控制电压o 图图6-2为交流伺服电动机的接线图。为交流伺服电动机的接线图。o 图图6-3为向量图。为向量图。o 图图6-4为不同控制电压下的机械特性曲线。为不同控制电压下的机械特性曲线。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-2 交流伺服电动机的接交流伺服电动机的接线图线图图图6-3 电压与电流相量电压与电流相量 图图图图6-4 不同控制电压下不同控制
7、电压下 的机械特性曲线的机械特性曲线船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系（2）控制电压）控制电压 控制电压控制电压 的运行状态可分的运行状态可分 两种情况讨论：两种情况讨论：o 第一种情况：伺服电动机在运行第一种情况：伺服电动机在运行中控制电压消失而变为零，电动中控制电压消失而变为零，电动机会立即停转。此时电动机励磁机会立即停转。此时电动机励磁绕组产生脉动磁场，由于伺服电绕组产生脉动磁场，由于伺服电动机的转子电阻足够大，其转矩动机的转子电阻足够大，其转矩特性右图所示。在伺服电动机正特性右图所示。在伺服电动机正（或反转）转时，电磁转矩与转（或反转）转时
8、，电磁转矩与转动方向相反，即产生制动电磁转动方向相反，即产生制动电磁转矩，在此转矩的作用下电机立即矩，在此转矩的作用下电机立即停转。停转。图6-5交流伺服电动机单相运行特性T=f(s)02TT1120TTss02U船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系o 第二种情况：未加控制电压（励磁绕组始终接在第二种情况：未加控制电压（励磁绕组始终接在 交流电源上），脉动磁场作用于电动机起动转矩交流电源上），脉动磁场作用于电动机起动转矩 为零，所以转子保持静止不动。为零，所以转子保持静止不动。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院
9、船电系二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 1.结构特点结构特点 2.控制方法与性能控制方法与性能 3.控制特性控制特性 船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系1.结构特点结构特点 直流伺服电动机的结构与直流电机相同。根据获得磁极直流伺服电动机的结构与直流电机相同。根据获得磁极 磁场型式的不同，常用的直流伺服电动机的结构型式有磁场型式的不同，常用的直流伺服电动机的结构型式有 直流永磁式和电磁式两种。直流永磁式和电磁式两种。永磁式的磁极为永久磁铁，采用具有矫顽磁力和剩磁感永磁式的磁极为永久磁铁，采用具有矫顽磁力和剩磁感 应强度值很高的稀土永磁材料组成。应
10、强度值很高的稀土永磁材料组成。电磁式伺服电动机如同他励直流电动机，它的励磁绕组电磁式伺服电动机如同他励直流电动机，它的励磁绕组 和电枢分别有两个独立电源供电。为了减小转动惯量，和电枢分别有两个独立电源供电。为了减小转动惯量，使其响应迅速，直流伺服电动机的电枢都做成细长形。使其响应迅速，直流伺服电动机的电枢都做成细长形。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系2.控制方法与性能控制方法与性能 直流伺服电动机的工作原理与一般的直流电动机相同，直流伺服电动机的工作原理与一般的直流电动机相同，电枢电流和磁极磁场作用产生电磁转矩，使转子转动。电枢电流和磁极磁场作用
11、产生电磁转矩，使转子转动。根据直流电动机转速公式根据直流电动机转速公式 直流伺服电动机的控制方式有两种，电枢控制与磁场控直流伺服电动机的控制方式有两种，电枢控制与磁场控 制，即改变电枢电压制，即改变电枢电压 的大小和极性（电枢控制）或采的大小和极性（电枢控制）或采 取改变磁极磁通取改变磁极磁通的大小和方向（磁场控制）来改变的大小和方向（磁场控制）来改变 转子的转速或转向。后者控制特性的线性程度较差，很转子的转速或转向。后者控制特性的线性程度较差，很 少采用。少采用。aUeaa2CRIUn船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图6-6为电磁式电枢控制
12、接线图如所示。为电磁式电枢控制接线图如所示。图图6-7为直流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性为直流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性 曲线曲线n nf f（T T）。）。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-6 直流伺服电动机的接线图直流伺服电动机的接线图返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-7 直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机的机械特性船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系3.控制特性控制特性 伺服电动机在固定的负载下，控制信号电压伺服
13、电动机在固定的负载下，控制信号电压U2的大小与的大小与 转速转速n之间的关系称作控制特性，又称调节特性。之间的关系称作控制特性，又称调节特性。在电动机稳定运行时，电磁转矩在电动机稳定运行时，电磁转矩T=TL，机械特性，机械特性 的表达式为：的表达式为：L2Teae2TCCRCUn图图6-8为控制特性。为控制特性。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-8 控制特性（控制特性（T3T2T1）返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第二节第二节 测速发电机测速发电机 测速发电机的功能是将机械转速信号转换为电
14、压信号输测速发电机的功能是将机械转速信号转换为电压信号输 出。它在自动控制系统中用来测量和调节转速，在反馈出。它在自动控制系统中用来测量和调节转速，在反馈 系统中常用来稳定转速。系统中常用来稳定转速。测速发电机有直流测速发电机和交流测速发电机两种类测速发电机有直流测速发电机和交流测速发电机两种类 型。结构特点与运行原理。型。结构特点与运行原理。返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1.结构特点结构特点 交流测速发电机的结构和交流伺服电动机相同，其转交流测速发电机的结构和交流伺服电动机相同，其转子有鼠笼式和空心杯转子两种类型，但鼠笼转子特性子有鼠笼
15、式和空心杯转子两种类型，但鼠笼转子特性差，目前大多数采用空心杯形转子。定子上放置两套差，目前大多数采用空心杯形转子。定子上放置两套空间相差空间相差90的绕组，一个是励磁绕组，另一个是输的绕组，一个是励磁绕组，另一个是输出绕组，工作时，励磁绕组接在恒定的交流电源上出绕组，工作时，励磁绕组接在恒定的交流电源上（勿需串联电容），产生脉动磁场。当转子由某种设（勿需串联电容），产生脉动磁场。当转子由某种设备拖动旋转时，输出绕组将有感应电压输出，感应电备拖动旋转时，输出绕组将有感应电压输出，感应电压与转子转速成线性正比例关系。压与转子转速成线性正比例关系。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工
16、程学院船电系轮机工程学院船电系2.工作原理工作原理 交流测速发电机的原理示意图如交流测速发电机的原理示意图如图图6-9示。示。图图6-10为交流测速发电机的原理。为交流测速发电机的原理。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-9 交流测速发电机的原理图交流测速发电机的原理图船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图6-10 6-10 交流测速发电机的原理图交流测速发电机的原理图 返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系船舶上常用测速发电机（直流或交流）、转速指
17、示仪和船舶上常用测速发电机（直流或交流）、转速指示仪和接线箱等组成远距离转速测量和监视系统。以船舶主机接线箱等组成远距离转速测量和监视系统。以船舶主机的转速测量为例，测速发电机的转子通过联轴器、齿轮的转速测量为例，测速发电机的转子通过联轴器、齿轮或链轮链条与主机凸轮轴或尾轴连接。几个并联的转速或链轮链条与主机凸轮轴或尾轴连接。几个并联的转速指示表分别安装在机舱、集控室、驾驶室和轮机长室。指示表分别安装在机舱、集控室、驾驶室和轮机长室。转速表内设有调节电阻，以适配不同距离的应用场合之转速表内设有调节电阻，以适配不同距离的应用场合之需。需。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船
18、电系轮机工程学院船电系第三节第三节 自整角机自整角机 o 在同步传动系统（即转角随动系统）中，为了实现两在同步传动系统（即转角随动系统）中，为了实现两 个或两个以上相距很远而在机械上又互不联系的转轴个或两个以上相距很远而在机械上又互不联系的转轴 进行同步角位移或同步旋转，常采用电气上互相联进行同步角位移或同步旋转，常采用电气上互相联 系，并具有自动整步能力的电机来实现转角的自动指系，并具有自动整步能力的电机来实现转角的自动指 示或同步传递，这种电机称为自整角机。示或同步传递，这种电机称为自整角机。o 在自整角构成的同步传动系统中，自整角机至少是两在自整角构成的同步传动系统中，自整角机至少是两
19、个或两个以上组合使用。其中一个自整角机与主动轴个或两个以上组合使用。其中一个自整角机与主动轴 相联称为发送机，另一个与从动系统相联称为接收相联称为发送机，另一个与从动系统相联称为接收 机。通常发送机和接收机的型号和结构完全相同。机。通常发送机和接收机的型号和结构完全相同。返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系o 自整角机按其在同步传动系统使用要求的不同分为力自整角机按其在同步传动系统使用要求的不同分为力 矩式自整角机和控制式自整角机。自整角机又分单相矩式自整角机和控制式自整角机。自整角机又分单相 和三相两种。和三相两种。图图6-11为舵角指示装置示
20、意图。为舵角指示装置示意图。图图6-12为自整角机结构示意图。为自整角机结构示意图。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-12 自整角机结自整角机结 构示意图构示意图图图6-11 舵角指示装舵角指示装 置示意图置示意图返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系一、力矩式自整角机一、力矩式自整角机 1.接线方式接线方式 如图如图6-13 2.工作原理工作原理 如图如图6-13 如图如图6-14船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-13 6-13 力矩式自整
21、角机的接线图力矩式自整角机的接线图返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-14 0时电磁转矩方向示意图时电磁转矩方向示意图（力矩式）（力矩式）(a)发送机(b)接收机船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 在实际应用中，常会遇到一台发送机同时带动几台在实际应用中，常会遇到一台发送机同时带动几台接收机并联运行，如船舶上的舵角指示器等。由于接收机并联运行，如船舶上的舵角指示器等。由于力矩式自整角机的输出转矩一般很小，通常只能带力矩式自整角机的输出转矩一般很小，通常只能带动指针类型的负载。因此为了提高自整角
22、系统的负动指针类型的负载。因此为了提高自整角系统的负载能力和精确度，常采用另一种自整角系统，这种载能力和精确度，常采用另一种自整角系统，这种系统采用控制式自整角机。系统采用控制式自整角机。船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系二、控制式自整角机二、控制式自整角机 控制式自整角机是把力矩式接收机的转子绕组控制式自整角机是把力矩式接收机的转子绕组 从从 电源上断开，作为输出绕组。其基本功能是发送机接电源上断开，作为输出绕组。其基本功能是发送机接 收到某一系统的机械转角信号后，将其转换为接收机收到某一系统的机械转角信号后，将其转换为接收机 的电压信号输出。的
23、电压信号输出。21ZZ 1.接线方式接线方式 图图6-15 图图6-16 2.工作原理工作原理 图图6-17 图图6-18 船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-15 控制式自整角机接线控制式自整角机接线 图图(a)发送机(b)接收机图图6-16 控制式自整角控制式自整角 机结构示意图机结构示意图(a)发送机(b)自整角变压器返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图6-17 控制式自整角工作原控制式自整角工作原理示意图理示意图(b)(a)相轴线轴线相轴线轴线轴线轴线相轴线相轴线返回船舶电气设备与系统 课 件2023-1-14轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系UgUfU2UdL交流放大器交流伺服电动机负载交流测速发电机控制式自整角机图图6-18 电位器的位置随动系统示意图电位器的位置随动系统示意图
