电机原理与拖动第八章控制电机

第八章控制电机8.1单相异步电动机8.1.1单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。定子转子定子绕组220V~NS当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流负半周？定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：

+

-tm=

+

-=

m/2脉动磁场的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①

+

-

正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反可见，起动转矩为零。转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。1>当n>0时，转矩T>0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行2>当n<0时，转矩T<0，此时的电磁转矩仍然是驱动性质的，电机反转运行3>当n=0时，转矩T=0，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动的必要条件是：1）定子具有空间不同相位的两个绕组2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：8.1.2单相异步电动机的分类和起动方法1）单相电阻分相起动异步电动机2）单相电容分相起动异步电动机3）单相电容运转异步电动机4）单相电容起动与运转异步电动机5）单相罩极式异步电动机下面，我们分别来看一下，各种类型的单相异步电动机：(一)、分相式异步电动机1、电容分相式起动~KDCWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXA'X'WSTAXA'X'~KDCWST接近90°电容分相式单相异步电动机起动原理~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0NSt=t0WSTAXA'X'NSWSTAXA'X'NSt=t1磁场逆时针方向旋转t=t0t=t1启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理~KDCWSTAXA'X'优点：1）如果电容器的电容量配的合适，可以实现两个电流之间的相位差为90，2）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不象电阻分相时受到限制，从而可以增加一些，使的磁动势增加。这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！2、单相电阻分相起动异步电动机

这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。(二)、罩极式单相电机定子磁极转子短路环定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。

单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。

8.1.3单相电机的使用

三相异步电动机的单相运行三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。8.2测速发电机8.2.1直流测速发电机

直流测速发电机是一种微型直流发电机，其作用是把拖动系统的旋转角速度转变为电压信号。结构：与直流发电机基本相同。工作原理：与直流发电机相同。按励磁方式1、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，因此：当磁通Φ=常数时，发电机的电动势为：E0=CeΦ0n1）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：U0＝Ｅ0，显然输出电压U0与n成正比。2）有负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为：整理后得C为直流测速发电机输出特性的斜率，当Φ0、Ra及RL都不变时，输出电压U与转速成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出特性的斜率C不同，负载电阻越小，斜率C也越小，

2、误差分析：显然，直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：电枢反应，温度的影响和接触电阻。负载R一定，当转速较高时U较大，Ia也较大，电枢反应产生的去磁作用使得磁通减小，输出电压要降低，为了减小电枢反应得到这种作用，使用测速发电机时，转速范围不要太大，负载电阻不能太小，还可以安装补偿绕组。8.2.2交流测速发电机1、结构介绍：

在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。2、工作原理：工作时，励磁绕组接频率为f的单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势ΦD，1）当转子不动时，脉振磁动势D在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场D，也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。2）

当转子运动时，转子切割直轴磁通D，在杯型转子中感应产生旋转电势Er，其大小正比于转子转速n，并以励磁磁场D的脉振频率f交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势Er在杯型转子中产生交流短路电流Ir，其大小正比于Er，其频率为Er的交变频率f，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流Ir所产生的脉振磁通q的大小正比于Er，在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场q与输出绕组相交链而产生感应电势E，据上分析有：输出绕组感应产生的电势E实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为励磁电源的频率f。当然，这里也存在着不可避免的误差。

3、误差分析：①非线性误差只有严格保持直轴磁通d不变的前提下，交流异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比，但在实际中直轴磁通d是变化的，为了减小转子漏抗造成的线性误差，异步测速发电机都采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动时切割交轴磁通Φq而产生的直轴磁势明显减弱。另外，提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高线性度，减小线性误差。

②剩余电压当转子静止时，交流测速发电机的输出电压应当为零，但实际上还会有一个很小的电压输出，此电压称为剩余电压。

③相位误差由于励磁的漏阻抗压降，引起U2与U1不完全同相，一般异步测速发电机相位误差10~20电角度。

8.3伺服电动机伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。

8.3.1伺服电动机由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT调节特性在电磁转矩为常数时，转速与控制信号电压之间的关系曲线称为调节特性由机械特性可知调节特性是一组平行的直线负载转矩不同，始动电压也不同失灵区的大小与负载转矩成正比

直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：8.3.2交流伺服电动机8.3.2交流伺服电动机一、工作原理伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。1、自转现象：如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。2、如何克服：显然,我们需要的是当控制信号为零时,转子的转速也为零,从机械特性图上我们可以看出,只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的,那么.从我们以前所学的知识可得:使电机制动到停止，从而消除“自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的Sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图3、改变控制电压的方法：1）幅值控制：如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的相位差始终保持90°电角度。若控制绕组的额定电压,那么控制信号的大小可表示Ｕc＝ＵcN,称为有效信号系数，那么以Ｕcn为基值，控制电压的标么值为：

当有效信号系数＝１时，控制电压与的幅值相等，相位相差90°电角度，且两绕组空间相差90°电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当<１时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。2）相位控制:这种控制方式通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，与的频率相同。而相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差,Sin称为相位控制的信号系数。改变与相位差的大小，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。3）幅值—相位控制:如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变:幅度—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。8.4

步进电动机机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：

步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。一、结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC二、工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。(一)、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相C相B相

（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C'342CA'BB'A这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。(二)、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。(三)、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A3412三、小步距角的步进电动机

实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿

A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率

转速步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3时步距角8.5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。三、正，余铉旋转变压器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。每套绕组的有效匝数为ND，其中D1D2绕组为直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。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ΦD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：EZ12=4.44fNZΦDcosEZ34=4.44fNZΦDsin另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为因而输出绕组Z1Z2和Z3Z4的端电压分别为UZ12=KUDcosUZ34=KUDsin可见，通过调节转子转角的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。

2）负载运行时：在实际应用中，输出绕组都接有负载，如