电机及电气控制技术教案：第24讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第24讲标题：第一节测速发电机（1学时）、步进电动机（1学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的掌握测速发电机、步进电动机的工作原理和应用。教学目标能力（技能）目标知识目标能正确分析直流测速发电机输出误差产生原因并改进；能正确控制反应式步进电动机。掌握直流测速发电机的结构和工作原理；掌握交流测速发电机的结构和工作原理；掌握反应式步进电动机的结构和工作原理；掌握三相反应式步进电动机的工作方式。重点难点及解决方法重点：测速发电机、步进电动机的工作原理。难点：同上。参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）掌握测速发电机、步进电动机的工作原理和应用。【步骤二】新知识讲解1（时间：40分钟）一、直流测速发电机1.直流测速发电机的工作原理和输出特性直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，有电磁式和永磁式两种不同的励磁方式。永磁式测速发电机的定子由永久磁铁制成，具有结构简单，不需励磁电源，且受温度影响变化小等特点，因此应用广泛。直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同，工作原理图如图5-17所示，发电机在恒定磁场中以转速n旋转时，电枢绕组产生空载电动势为 Ea=CeΦn （5-4）式中，Ce为电动势常数，Φ为常数。1）空载运行时，电枢电流Ia=0，输出电压与空载电动势相等，所以输出电压与转速成正比。2）负载运行时，RL为负载电阻，电枢电流Ia=U/RL，若忽略电枢反应的影响，直流测速发电机负载时输出电压为 （5-5）式中，Ra为电枢回路的总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷与换向器之间的接触电阻。将式（5-5）代入式（5-4）中，整理可得： （5-6）当Ra、RL和Φ为常数时，输出电压U与转速n成正比，输出特性为线性。当改变负载电阻RL时，输出特性的斜率也随之改变，RL越大斜率越大。输出特性如图5-18所示。2.产生误差的原因和改进方法在实际使用中，直流测速发电机在运行时，某些原因会引起Ra、RL和Φ发生变化，产生误差，使输出电压与转速不能保持严格的线性关系。（1）电枢反应去磁作用的影响当直流测速发电机负载运行时，电枢电流引起电枢反应的去磁作用，使发电机气隙磁通Φ减小。若转速一定时，当负载电阻越小时，电枢电流就越大；当负载电阻不变时，当转速越高是，电动势就越大，电枢电流也就越大，它们都使电枢反应的去磁作用增强，使Φ减小，输出电压U减小，使输出特性曲线向下弯曲，输出电压和转速的线性误差加大，如图5-18所示，当转速很高时，输出特性变为非线性。为了改善输出特性，就必须减小电枢反应去磁作用的影响。所以在使用直流测速发电机时，转速不得高于最大线性工作转速，负载电阻RL不得小于最小负载电阻；对于电磁式直流测速发电机，还可以在定子磁极上安装补偿绕组来减小误差。（2）电刷接触电阻非线性的影响在实际使用中，电枢回路总电阻中包括的电刷与换向器之间的接触电阻是非线性的，不是常数，随负载电流变化而变化。在电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，电刷压降较大，这时测速发电机虽然有输入信号（转速），但输出电压却很小，因而在输出特性上有一失灵区，引起线性误差，如图5-18所示。为了减小电刷接触电阻非线性的影响，减小失灵区，直流测速发电机常选用接触压降较小的金属——石墨电刷。（3）温度的影响电磁式直流测速发电机，由于励磁绕组长期通电而发热，导致电阻相应增大，引起励磁电流及磁通Φ减小，输出电压减小，造成线性误差。为了减小由温度变化引起的磁通Φ变化，在设计直流测速发电机时使磁路处于足够饱和状态。同时可在直流测速发电机的励磁回路中串联一个温度系数很小、阻值比励磁绕组大3~5倍的用锰白铜或锰铜材料制成的电阻。但上述措施会使励磁功率增大，励磁损耗变大。二、交流测速发电机交流测速发电机有异步式和同步式两类，其中交流异步测速发电机在自动控制系统中应用较为广泛。交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的结构相同。交流异步测速发电机转子采用空心杯形结具有转动惯量小、灵敏度高、稳定性好等特点被广泛应用。在小号机座的测速发电机中，将励磁绕组和输出绕组全部嵌放在内定子铁心槽内，两相绕组空间相差90°电角度。在大号机座的测速发电机中，为了便于调节内、外定子间的相对位置，减小剩余电压，将励磁绕组和输出绕组分别嵌放在外定子和内定子上。交流异步测速发电机的工作原理图如图5-19所示。将电压和频率恒定的单相交流电源接于励磁绕组N1，输出绕组N2输出电压信号与转速大小成正比。在频率为f1的励磁电压作用下，励磁绕组中便有励磁电流If流过，在气隙中产生脉振磁场，称为直轴（d轴）磁场，与电源频率相同。当n=0，转子不动时，励磁绕组与空心杯形转子之间的电磁关系和变压器二次侧短路时一样，励磁绕组相当于变压器的一次侧绕组，空心杯形转子（看作是无数根并联导条组成的笼形转子）则相当于短路的二次侧绕组。此时，测速发电机气隙中以频率为f1的脉振磁场的轴线与励磁绕组轴线重合，并垂直于输出绕组的轴线（q轴）。d轴的脉振磁场只能在空心杯转子中感应出变压器电动势，由于转子是闭合的，这一变压器电动势将产生转子电流，根据楞次定律可以判断电流方向，如图5-19a所示。感应电流产生的磁通和励磁绕组产生的磁通方向相反，所以合成磁通仅为沿d轴的磁通Φd，如图5-19a所示。输出绕组轴线（q轴）与励磁绕组轴线（d轴）空间位置相差90°电角度，q轴与d轴磁通没有耦合关系，，输出绕组不产生感应电动势，输出电压为零。即n=0，=0。当n≠0，转子旋转时，空心杯形转子在感应变压器电动势时，还会因杯形转子切割磁通Φd，在转子中感应产生一旋转电动势Er，其方向可以用右手定则确定，如图5-19b所示。其有效值为 Er=CrΦdn （5-7）式中，Cr为电动势常数。通过旋转电动势Er的作用，转子绕组中将产生频率为f1的交流电流Ir。由于杯形转子的转子电阻很大，远大于转子电抗，所以Ir和Er基本同相位，如图5-19b所示。Ir将产生交变磁通Φq，Φq的大小与Ir及Er的大小成正比。Φq的轴线与输出绕组轴线（q轴）重合，Φq在输出绕组中产生频率为f1的感应电动势E2，其有效值为 E2=4.44f1ΦqN2KN2 （5-8）式中，N2为输出绕组匝数，KN2为输出绕组的绕组系数，所以感应电动势E2与磁通成正比于Φq，又因为Φq正比于Ir及Er，而Er正比于n，所以输出电动势E2正比于n，频率也为f1。在理想状况下，根据输出绕组的电动势平衡方程式，测速发电机输出电压信号幅值U2也应正比于转速n，输出特性为线性。输出电压信号频率为f1与转速大小无关，使负载阻抗不随转速的变化而变化，因而被广泛应用于控制系统。当转子反转时，转子中的旋转电动势Er、电流Ir及其所产生的磁通Φq的相位都反相，所以输出电压的相位也反相。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：2分钟）在自动控制系统中，测速发电机作为测速装置将输入的机械转速变换为电压信号输出。常用作测速元件、解算元件、校正元件和角加速度信号元件。自动控制系统对测速发电机的基本要求是：（1）输出电压与转速呈线性；（2）输出特性具有高灵敏度，即输出特性的斜率要大；（3）转动惯量要小，反应速度快；（4）稳定性好，输出特性受外界条件变化影响小。根据测速发电机输出电压的不同，可分为直流测速发电机和交流测速发电机两种。【步骤四】新知识讲解2（时间：38分钟）一、步进电动机的工作原理图5-20为三相反应式步进电动机的结构示意图，它分为定子和转子两部分，定、转子铁心均由硅钢片叠成。定子上均匀分布6个磁极，每两个对向磁极组成一相励磁绕组，共有三相励磁绕组，并星形连接。转子铁心均匀有分布4个齿，齿宽等于定子极靴宽度，转子上没有绕组。三相反应式步进电动机的工作原理可由图5-21来说明，因为磁通总是通过磁阻最小路径闭合，所以在控制信号切换导致磁力线扭曲时，产生的切向分力生成磁阻转矩，使转子转动。三相反应式步进电动机有三种运行方式，分别为三相单三拍、三相双三拍和三相单双六拍运行方式。其中，“三相”是指步进电机定子相数；“单”是指每次仅对一相绕组通电；“双”是指每次给两相绕组同时通电；“三拍”是指一个循环通电状态切换三次，第四次通电状态与第一次相同。如图5-21所示，为三相反应式步进电动机单三拍运行方式。首先对A相绕组通电，B、C两相绕组断电时，气隙中产生一个以A相绕组AA1为轴线的磁场，在磁阻转矩作用下，转子转动，转子1、3齿与A相绕组轴线AA1对齐，如图5-21a所示，此时，如果不改变通电状态，转子不受切向力作用将保持静止不动。当对B相绕组通电，A、C两相绕组断电时，气隙中产生一个以B相绕组BB1为轴线的磁场，在磁阻转矩作用下，转子转动，转子2、4齿与B相绕组轴线BB1对齐，如图5-21b所示，转子按逆时针方向在空间转过30°电角度，此时，通电状态变换了一次称为一拍，第一拍转子转过的角度称为步距角。同样原理，当对C相绕组通电，A、B两相绕组断电时，转子又按逆时针方向转过30°角，如图5-21c所示。由以上分析可知，如果三相绕组按A-B-C-A的顺序轮流通电，转子就会按逆时针方向一步一步转动，如果改变控制脉冲的频率，也就是定子三相绕组通电状态变换的频率，转子的转速随之改变，频率越高，转速越快。如果按A-C-B-A的顺序轮流能电，则转子反向转动。由于这种通电方式，每次只给一相绕组通电，容易使转子在平衡位置附近产生摆动，影响运行稳定性，所以在实际应用中很少使用。三相双三拍运行方式是每次给两相绕组通电，即按AB-BC-CA-AB顺序轮流通电，运行原理与单三拍运行方式相同，步距角也相同都有为30°，由于变换通电状态时始终有一相绕组保持通电，所以转子不会产生摆动，运行稳定可靠。三相单双六拍运行方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A，单相通电与两相通电交替运行，每一循环通电状态变换六次，称为六拍。如图5-22所示，当A相通电时，转子1、3齿与A相绕组轴线AA1对齐，如图5-22a所示。当A相和B相同时通电时，转子在磁阻转矩作用下逆时针方向在空间转过15°电角度，如图5-22b所示。当B相绕组通电时，转子又逆时针转过15°，如图5-22c所示。依次类推，转子每拍转过15°角，步距角比单三拍和双三拍运行方式减小了一半。三相单双六拍运行方式与双三拍一样，变换通电状态时始终有一相绕组保持通电，保证了运行的可靠性和稳定性，在实际使用中应用广泛。二、步进电动机的应用步进电动机具有控制灵活、运行可靠、误差不会长期累积、适于数字控制等优点，而广泛应用于数控加工设备、自动生产线、自动控制仪表、计算机及办公自动化设备以及家用电器中。如在针式打印机中，在控制电路的控制下，字车步进电动机通过传动装置将步进电动机的转动变为字车的横向移动，载有打印头的字车沿水平方向的横轴左右移动，将打印头移动到需要打印的位置。走纸步进电动机通过牵引机构将步进电动机的转动转变为纵向走纸移动，当打印完一行后