自整角机与旋转变压器

E1a E Ia cos1 I cos1 Z1 Z 2 Z1 Z 2
E1b E Ib cos(1 120 ) I cos(1 120 ) Z1 Z 2 Z1 Z 2
E1c E Ic cos(1 240) I cos(1 120) Z1 Z 2 Z1 Z 2
二、教学时间安排：5学时 三、教学主要内容：
• 第一节 自整角机 • 第二节 旋转变压器
本章重点：力矩式自整角机和控制式自整角机区别 本章难点：自整角机工作原理
四、教学过程：
第一节 自整角机
一、自整角机结构和分类 1.自整角机:是一种对角位移或角速度的偏差 能自动地整步的一种控制电机,即用来实现 自动指示角度和同步传输角度的一类控制电 机。 自整角机必须成对或成组使用. 发送机:产生信号的自整角机，它将轴上的转 角变换为电信号。 接收机:接收信号的自整角机，它将发送机发 送的电信号变换为转轴的转角，从而实现角 度的传输、变换和接收。
Uf
～
θ
1
θ
2
Ff a F1
θ
1
Ff a F2 θ
E1a
2
b
θ
1
θ
2
θ
F2'
Ff
c
b
θ
1
θ
θ
2
F1'
c
Ff
1.直轴、交轴磁势是如何产生转矩的： （1）在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产 生的也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁 力F的方向如图所示，显然不会产生转矩。 同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通 （磁势）下也不会产生转矩。 （2）在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产 生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使 线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在水平 位置，两磁势的轴线重合，同样的，图是产 生直轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受 到逆时针的转矩。
自整角发送机的a相定子绕组线作直轴，其 转子绕组以直轴作起始位置，而把自整角 变压器转子输出绕组放在交轴上，事实上， 把自整角变压器的转子由原来的协调位置 （=0）处旋转90作为起始位置，那么输 出绕组感应电动势
E2 = Em(-90) =Emsin
空载时，输出电压U2=E2，负载时，输出电压 下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载， 则自整角变压器输出电压下降不大。 自整角变压器的输出电压U2随失调角变化的 曲线如图所示。 自整角变压器在协调位置即=0时，输出电压 为0，当=1时输出的电压值叫比电压U0，比 电压越大，控制系统越灵敏。


直流测速机 交流测速机
自整角机

同步式
异步式Biblioteka 控制式 力矩式 正余弦旋转变压器
旋转变压器
光电编码器
光栅

绝对式 透视光栅 直线光栅 反射光栅 园光栅

线性旋转变压器 增量式

第九章自整角机与 旋转变压器
一、本章教学要求：
• 掌握自整角机结构、分类和作用等概念 • 掌握旋转变压器结构、分类和作用等概念 • 了解力矩式自整角机、控制式自整角机和正 余弦旋转变压器工作原理 • 理解力矩式自整角机和控制式自整角机区别 • 了解正余弦旋转变压器产生畸变的原因及补 偿方法
4 4 F1b 2 Ib Nk N 2INk N cos(1 120 ) Fm cos(1 120 ) 4 4 F1c 2 I c Nk N 2 INk N cos(1 240 ) Fm cos(1 240 )


把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴 分量和交轴分量，励磁绕组为直轴(d轴)，交 轴(q轴)与直轴在空间相差90。 控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量 磁势为 F1d=F1acos1+F1bcos(1-120)+F1ccos(1240) = Fmcos21+Fmcos2(1-120)+Fmcos2(1240) = Fm
四、自整角机的应用： 自整角机的应用越来越广泛，常用于位置 和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之中 常用于角度位置、高度的指示，雷达系统中 用于无线定位等等；另一方面常用于远距离 控制系统中，如轧钢机轧辊控制和指示系统、 核反应堆的控制棒指示等等。
炮瞄雷达控制系统应用:
第二节 旋转变压器
一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单 相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子 转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。 二、分类：根据输出的函 数关系的不同，旋转变压 器可分为很多类，其中正 余弦旋转变压器，线性旋 转变压器较为常用。
U2 U2m -180° 0 180° θ
三、力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动 机的配合，两台力矩式自整角机就可进行 角度传递，因而常用以转角指示。其工作 原理如图 ： 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流 电源上，三相整步绕组对应相接。假设三 相整步绕组产生的磁势在空间按正弦规律 分布，磁路不饱和，并忽略电枢反应，那 么在分析时便可用迭加原理。
～
θ
1
θ
2
接收机 J
发送机 F a
Ia E1a Ia Ia
a
b
Ib
c
b
Ic
c
原理分析： 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流 电流时，产生的是正弦分布的脉振磁场， 与发送机三相整步绕组相交链而感应产 生电动势。如果发送机三相整步绕组的 某相（如A相）与磁励绕组的轴线重合作 为起始位置，那么此时该相的感应电动 势，其有效值为
三相整步绕组星点连线中的电流为 I0 = Ia+Ib+Ic = Icos1+Icos(-120)+Icos(240) = 0
由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉 振磁通感应产生，那么其合成磁势为空间分 布的脉振磁势。 自整角发送机每相磁势幅值为 4 4 F1a 2 I a Nk N 2 INk N cos 1 Fm cos 1
（1）当随动系统处于协调位置（即失调角 =0）时，希望输出电压为0，当0时，才有 电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺 服电动机旋转以清除，但如按图工作，在失 调角为0时，自整角变压器输出电压反而最大， 增大，输出电压反而减小，与实际需要相反。 （2）失调角是有方向的，是顺时针还是反时 针是必须明确的，即的正负值是表明方向的， 但上述系统中不管为正还是为负，其输出的 电压都是正的，因为Ecos(-)=Ecos.
自动控制元件框架:
自动控制 元件

执行 元件

伺服 电机
同步式 直线步进电机 直线电机 直线直流电机 异步式 直线交流电机 同步式 步进 永磁式 电机 磁阻式(反应式) 混合式（永磁感应子式）

直流伺服电机 交流伺服电机



异步式

两相 三相

测量 元件
自动控制元件框架（补充）:
测速发电机
测量 元件
角存在而产生的转距下使转子转动，以减 小失调角，换言之，是接收机跟随发送机 旋转。失调角与静态整步转矩T的关系曲 线如图所示，当失调角=1时的静态整步 转矩称比整步转矩，其值愈 大，则系统灵敏度愈高。
T Tm -180° 0 180° θ
自整角机控制系统中，当失调角产生时，
力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系 的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载， 直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不 大，如果机械负载较大，则采用控制式自整 角机系统。 控制式自整角机把失调角转换为正弦关系 的电压输出，经过电压放大器放大后送到交 流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转 动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直 到消除失调角。
E = 4.44 f N kNΦm
如果发送机转子的位置角为1，如图所示，那 么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整 步绕组中感应的电势的有效值分别为

E1a = Ecos1
E1b = Ecos(1－120)
E1c = Ecos(1－240)
设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z1， 自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2，为了 便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的 星点连接起来，那么三相整步绕组的回路电流 分别为
交轴分量的磁通势为 F1q=F1asin1+F1bsin(1-120)+F1csim(1240) =Fmcos1sin1+Fmcos(1-120)sin(1120)+Fmcos(1-240)sin(1-240) =0 控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没 有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势是 一个直轴磁势，与励磁绕组同轴，与 1 无关。
EZ12 = 4.44fNZΦDcos EZ34 = 4.44fNZΦDsin 另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为
三、正，余弦旋转变压器
D3 D1
D4 θ Z4 ФD Ф Z12 Ф Z34 θ Z3 b
UD
D2 Z1 Z2
1、工作原理： 1）空载运行时：旋转变压器的定子铁芯槽 中装有两套完全相同的绕组D1D2 和D3D4 ， 但在空间上相差90。转子铁芯槽中也装 有两套完全相同的绕组Z1Z2 和Z3Z4 ，在 空间上也相差90，每套绕组的有效匝数 为NZ。 转角：转子上的输出绕组Z1Z2 的轴线与定 子的直轴之间的角度叫做转子的转角。
A ： 气 隙 磁 场 ΦD 与 输 出 绕 组 Z1Z2 相 交 链 的磁通 ΦZ12=ΦDcos。 B：另一输出绕组Z3Z4 的轴线与磁场轴线 （直轴）的夹角为90-，那么气隙磁场 ΦD与Z3Z4相交链的磁通 ΦZ34=ΦDcos（90-）=ΦDsin， 据上述分析，气隙磁场Φ D在励磁绕组中所 感生的电动势为 ： ED12 = 4.44fNDΦD 相对应的在输出绕组感应的电动势为：
当失调角越大，自整角接收机产生的整步 转矩越大，转矩的方向是使Ff和F1'靠拢， 即转子往失调角减小的方向旋转，如为空 载，最终会消除失调角，此时，两个力矩 式自整角机的转子转角相等1=2，=12=0，随动系统处于协调位置。但实际上， 由于机械摩擦等原因的影响，使空载时失 调角并不为0，而存在着一个较小的Δ，误 差Δ叫做静态误差，即自整角发送机和接 受机转子停止不转时的失调角。