電機原理與拖動第八章控制電機

第八章控制電機8.1單相異步電動機8.1.1單相異步電動機的工作原理結構：定子放單相繞組（其中通220V單相交流電）轉子一般用鼠籠式。定子轉子定子繞組220V~NS當定子繞組產(chǎn)生的合成磁場增加時，根據(jù)右手螺旋定則和左手定則，可知轉子導條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉矩。在電流正半周在電流負半周？定子繞組產(chǎn)生的脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即：

+

-tm=

+

-=

m/2脈動磁場的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①

+

-

正反向旋轉磁場的合成轉矩特性合成轉矩起動轉矩為零。（正向）（反向）正轉轉反可見，起動轉矩為零。轉子借助其它力量轉動后，外力去除后仍按原方向繼續(xù)轉動。1>當n>0時，轉矩T>0，此時的電磁轉矩是驅動性質的，電機屬于正轉運行2>當n<0時，轉矩T<0，此時的電磁轉矩仍然是驅動性質的，電機反轉運行3>當n=0時，轉矩T=0，顯然這是不行的，電機將無法起動，即，我們希望當轉速=0時，轉矩不應為零！由此可見，單個繞組通電，電機可以運行，但不能起動，因此必須有兩相繞組才行。單相異步電動機的關鍵問題是如何起動的問題，而起動的必要條件是：1）定子具有空間不同相位的兩個繞組2）兩相繞組中要通入不同相位的交流電流第一個條件顯然應該是滿足的，所以，現(xiàn)在的關鍵問題是如何實現(xiàn)電流的分相問題，根據(jù)分相方法的不同，我們把單相異步電動機又分為：8.1.2單相異步電動機的分類和起動方法1）單相電阻分相起動異步電動機2）單相電容分相起動異步電動機3）單相電容運轉異步電動機4）單相電容起動與運轉異步電動機5）單相罩極式異步電動機下面，我們分別來看一下，各種類型的單相異步電動機：(一)、分相式異步電動機1、電容分相式起動~KDCWSTW:主繞組（工作繞組）ST：啟動繞組K：離心開關AXA'X'WSTAXA'X'~KDCWST接近90°電容分相式單相異步電動機起動原理~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0NSt=t0WSTAXA'X'NSWSTAXA'X'NSt=t1磁場逆時針方向旋轉t=t0t=t1啟動時開關K閉合，使兩繞組電流相位差約為90°，從而產(chǎn)生旋轉磁場，電機轉起來；轉動正常以后離心開關被甩開，啟動繞組被切斷，而電機仍按原方向繼續(xù)轉動。工作原理~KDCWSTAXA'X'優(yōu)點：1）如果電容器的電容量配的合適，可以實現(xiàn)兩個電流之間的相位差為90，2）副繞組的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使電抗減小，所以副繞組的匝數(shù)不象電阻分相時受到限制，從而可以增加一些，使的磁動勢增加。這兩點的實現(xiàn)，可以使我們得到一個接近圓形的磁動勢，即較大的起動轉矩，而起動電流還會下降！2、單相電阻分相起動異步電動機

這種電動機，由于兩相繞組中電流的相位相差不大，所以，氣隙磁動勢是一個橢圓形，因此起動電流比較大，而起動轉矩卻不是很大。(二)、罩極式單相電機定子磁極轉子短路環(huán)定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，使轉子轉起來。圖中電機的轉動方向：順時針旋轉。因為沒有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領先。

單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手電鉆）、醫(yī)用器械、自動化儀表等。

8.1.3單相電機的使用

三相異步電動機的單相運行三相異步電動機在運行過程中，若其中一相和電源斷開，則變成單相運行。此時和單相電機一樣，電機仍會按原來方向運轉。但若負載不變，三相供電變?yōu)閱蜗喙╇姡娏鲗⒆兇?，導致電機過熱。使用中要特別注意這種現(xiàn)象；三相異步電動機若在啟動前有一相斷電，和單相電機一樣將不能啟動。此時只能聽到嗡嗡聲，長時間啟動不了，也會過熱，必須趕快排除故障。8.2測速發(fā)電機8.2.1直流測速發(fā)電機

直流測速發(fā)電機是一種微型直流發(fā)電機，其作用是把拖動系統(tǒng)的旋轉角速度轉變?yōu)殡妷盒盘?。結構：與直流發(fā)電機基本相同。工作原理：與直流發(fā)電機相同。按勵磁方式1、工作原理：直流測速發(fā)電機的結構和工作原理與前面所講的直流發(fā)電機是一樣的，因此：當磁通Φ=常數(shù)時，發(fā)電機的電動勢為：E0=CeΦ0n1）在空載時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓就是電樞感應電動勢：U0＝Ｅ0，顯然輸出電壓U0與n成正比。2）有負載時，若電樞電阻為Ra，負載電阻為RL，不計電刷與換向器間的接觸電阻，則直流測速發(fā)電機的輸出電壓為：整理后得C為直流測速發(fā)電機輸出特性的斜率，當Φ0、Ra及RL都不變時，輸出電壓U與轉速成線性關系。對于不同的負載電阻RL，輸出特性的斜率C不同，負載電阻越小，斜率C也越小，

2、誤差分析：顯然，直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速要嚴格保持正比關系在實際中是難以做到的，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個方面：電樞反應，溫度的影響和接觸電阻。負載R一定，當轉速較高時U較大，Ia也較大，電樞反應產(chǎn)生的去磁作用使得磁通減小，輸出電壓要降低，為了減小電樞反應得到這種作用，使用測速發(fā)電機時，轉速范圍不要太大，負載電阻不能太小，還可以安裝補償繞組。8.2.2交流測速發(fā)電機1、結構介紹：

在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機?？招谋D子異步測速發(fā)電機定子上有兩個在空間上互差90電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組，如圖所示。2、工作原理：工作時，勵磁繞組接頻率為f的單相交流電源，此時顯然沿著直軸方向將會產(chǎn)生一個脈振磁動勢ΦD，1）當轉子不動時，脈振磁動勢D在空心杯轉子中感應出變壓器電勢，產(chǎn)生的磁場與勵磁電源同頻率的脈振磁場D，也為d軸，都與處于q軸的輸出繞組無磁通交鏈。2）

當轉子運動時，轉子切割直軸磁通D，在杯型轉子中感應產(chǎn)生旋轉電勢Er，其大小正比于轉子轉速n，并以勵磁磁場D的脈振頻率f交變，又因空心杯轉子相當于短路繞組，故旋轉電勢Er在杯型轉子中產(chǎn)生交流短路電流Ir，其大小正比于Er，其頻率為Er的交變頻率f，若忽視杯型轉子的漏抗的影響，那么電流Ir所產(chǎn)生的脈振磁通q的大小正比于Er，在空間位置上與輸出繞組的軸線（q軸）一致，因此轉子脈振磁場q與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應電勢E，據(jù)上分析有：輸出繞組感應產(chǎn)生的電勢E實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓U，其大小正比于轉速n，其頻率為勵磁電源的頻率f。當然，這里也存在著不可避免的誤差。

3、誤差分析：①非線性誤差只有嚴格保持直軸磁通d不變的前提下，交流異步測速發(fā)電機的輸出電壓才與轉子轉速成正比，但在實際中直軸磁通d是變化的，為了減小轉子漏抗造成的線性誤差，異步測速發(fā)電機都采用非磁性空心杯轉子，常用電阻率大的磷青銅制成，以增大轉子電阻，從而可以忽略轉子漏抗，與此同時使杯型轉子轉動時切割交軸磁通Φq而產(chǎn)生的直軸磁勢明顯減弱。另外，提高勵磁電源頻率，也就是提高電機的同步轉速，也可提高線性度，減小線性誤差。

②剩余電壓當轉子靜止時，交流測速發(fā)電機的輸出電壓應當為零，但實際上還會有一個很小的電壓輸出，此電壓稱為剩余電壓。

③相位誤差由于勵磁的漏阻抗壓降，引起U2與U1不完全同相，一般異步測速發(fā)電機相位誤差10~20電角度。

8.3伺服電動機伺服電動機（執(zhí)行電動機），它將輸入的電壓信號轉變?yōu)檗D軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉速與轉向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。根據(jù)使用電源的不同，伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦；而交流伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。結構：與直流電動機基本相同。為減小轉動慣量做得細長一些。工作原理：與直流電動機相同。供電方式：他勵。勵磁繞組和電樞由兩個獨立電源供電：MU1IfIaU2放大器UU1為勵磁電壓，U2為電樞電壓。

8.3.1伺服電動機由機械特性可知：(1)U1（即磁通）不變時，一定的負載下，U2,n。(2)U2=0時，電機立即停轉。反轉：電樞電壓的極性改變，電機反轉。直流伺服電機的機械特性公式與他勵直流電機一樣：機械特性曲線U20.8U20.6U20.4U2nT調節(jié)特性在電磁轉矩為常數(shù)時，轉速與控制信號電壓之間的關系曲線稱為調節(jié)特性由機械特性可知調節(jié)特性是一組平行的直線負載轉矩不同，始動電壓也不同失靈區(qū)的大小與負載轉矩成正比

直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，它的輸出功率一般為1-600W。它的用途很多，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。應用：8.3.2交流伺服電動機8.3.2交流伺服電動機一、工作原理伺服電動機就是兩相異步電動機，定子側繞組再空間相差90度擺放，轉子是鼠籠式的。1、自轉現(xiàn)象：如果電機參數(shù)與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續(xù)不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉的失控現(xiàn)象稱為“自轉”。2、如何克服：顯然,我們需要的是當控制信號為零時,轉子的轉速也為零,從機械特性圖上我們可以看出,只要轉子旋轉的方向和電磁轉矩的方向相反,就可以實現(xiàn)此目的,那么.從我們以前所學的知識可得:使電機制動到停止，從而消除“自轉”增加轉子電阻，使正向磁場產(chǎn)生最大轉矩時的Sm+≥1，使正向旋轉的電機在控制電壓消失后的電磁轉矩為負值，即為制動轉矩，使電機制動到停止；若電機反向旋轉，則在控制電壓消失后的電磁轉矩為正值，也為制動轉矩，如圖3、改變控制電壓的方法：1）幅值控制：如圖所示，幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機轉速，此時控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓,那么控制信號的大小可表示Ｕc＝ＵcN,稱為有效信號系數(shù)，那么以Ｕcn為基值，控制電壓的標么值為：

當有效信號系數(shù)＝１時，控制電壓與的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉磁通勢，產(chǎn)生的電磁轉距最大；當<１時，控制電壓小于勵磁電壓的幅值，所建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場，產(chǎn)生的電磁轉矩減小。越小，氣隙磁場的橢圓度越大，產(chǎn)生的電磁轉矩越小，電機轉速越慢，在＝０時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機不轉或停轉。幅值控制的交流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性如下圖所示。圖中的轉矩和轉速都采用標么值。2）相位控制:這種控制方式通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現(xiàn)對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。如圖所示，勵磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經(jīng)移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差,Sin稱為相位控制的信號系數(shù)。改變與相位差的大小，可以改變電機的轉速。相位控制的機械特性和調節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3）幅值—相位控制:如圖所示,我們還可以通過同時改變幅值和相位的方法來實現(xiàn)對控制電壓的改變:幅度—相位控制線路簡單，不需要復雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點，因而成為使用最多的控制方式。8.4

步進電動機機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。(3)改變脈沖順序，改變方向。種類：有勵磁式和反應式兩種。兩種的區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。應用：

步進機的應用非常廣泛。如：在數(shù)控機床、自動繪圖儀等設備中都得到應用。下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。一、結構步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極。定子轉子定子繞組定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉子IAIBIC二、工作方式步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。(一)、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

（3）工作過程化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁A相通電使轉子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉30；C相通電再轉30。1C'342CA'BB'A這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向。(二)、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A3412所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉子轉了15°。（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉子順時針方向轉動。A、B相同時通電（2）AA'

磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A3412總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15。(三)、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A3412三、小步距角的步進電動機

實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子40個齒，定子仍是6個磁極，但每個磁極上也有五個齒。轉子的齒距等于360/40=9，齒寬、齒槽各4.5。為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同。工作原理：假設是單三拍通電工作方式。（1）A相通電時，定子A相的五個小齒和轉子對齊。此時，B相和A相空間差120，含120/9=齒

A相和C相差240，含240/9=個齒。所以，A相的轉子、定子的五個小齒對齊時，B相、C相不能對齊，B相的轉子、定子相差1/3個齒（3），C相的轉子、定子相差2/3個齒（6）。若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉子只轉1.5。異步機的轉動方向仍由相序決定。同理，C相通電再轉3……（2）A相斷電、B相通電后，轉子只需轉過1/3個齒（3），使B相轉子、定子對齊。f：電脈沖的頻率

轉速步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為步距角。m:一個周期的運行拍數(shù)Zr：轉子齒數(shù)如：Zr=40,m=3時步距角8.5旋轉變壓器一、定義：當旋轉變壓器的定子繞組施加單相交流電時，其轉子繞組輸出的電壓與轉子轉角成正弦余弦關系或線性關系等函數(shù)關系。二、分類：根據(jù)輸出的函數(shù)關系的不同，旋轉變壓器可分為很多類，其中正余弦旋轉變壓器，線性旋轉變壓器較為常用。三、正，余鉉旋轉變壓器1、工作原理：1）空載運行時：旋轉變壓器的定子鐵芯槽中裝有兩套完全相同的繞組D1D2和D3D4，但在空間上相差90。每套繞組的有效匝數(shù)為ND，其中D1D2繞組為直軸繞組，D3D4繞組為交軸繞組。轉子鐵芯槽中也裝有兩套完全相同的繞組Z1Z2和Z3Z4，在空間上也相差90，每套繞組的有效匝數(shù)為NZ。轉角：轉子上的輸出繞組Z1Z2的軸線與定子的直軸之間的角度叫做轉子的轉角。A：氣隙磁場ΦD與輸出繞組Z1Z2相交鏈的磁通ΦZ12=ΦDcos。B：另一輸出繞組Z3Z4的軸線與磁場軸線（直軸）的夾角為90-，那么氣隙磁場ΦD與Z3Z4相交鏈的磁通

ΦZ34=ΦDcos（90-）=ΦDsin，據(jù)上述分析，氣隙磁場ΦD在勵磁繞組中所感生的電動勢為：ED12=4.44fNDΦD相對應的在輸出繞組感應的電動勢為：EZ12=4.44fNZΦDcosEZ34=4.44fNZΦDsin另外輸出繞組與勵磁繞組的有效匝數(shù)比為因而輸出繞組Z1Z2和Z3Z4的端電壓分別為UZ12=KUDcosUZ34=KUDsin可見，通過調節(jié)轉子轉角的大小，輸出繞組Z1Z2輸出的電壓按余弦規(guī)律變化，故又叫余弦輸出繞組，繞組Z3Z4輸出的電壓按正弦規(guī)律變化，故叫做正弦輸出繞組。

2）負載運行時：在實際應用中，輸出繞組都接有負載，如