电机与电机控制技术 课件 第1-4章 变压器-控制电动机

电机与电气控制技术第1章

变压器

第1章

变压器学习目标1.回顾磁场及基本电磁定律；2.掌握变压器的用途、基本结构和工作原理；3.掌握变压器的空载、负载运行原理（即变压、变流和变换阻抗）；4.熟悉变压器空载和短路试验的目的、线路和试验方法；5.掌握变压器同名端的判定方法及三相变压器联结组别和时钟表示法的判定；6.掌握自耦变压器、仪用互感器和电焊变压器等的特点及使用注意事项。

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.1磁场的几个物理量1.磁感应强度

B是表征磁场强弱的物理量，又称为磁通密度，用B来表示，是一个矢量，在国际单位制中的名称为特斯拉，简称为特

（

）。通常用磁感线来形象描绘磁场，即用磁感线疏密程度表示磁感应强度的大小，磁感线在某点的切线方向就是该点磁感应强度的方向，如图1所示。

图1磁场中的磁感线电流产生的磁场用毕奥-萨伐尔定律描述。2.磁通量

1.1

磁场及基本电磁定律

磁通量简称磁通，用来表示，它是指穿过某一截面的磁感应强度的通量，通常用穿过某截面的磁感线的数目来表示磁通的大小，如图2所示。图2磁感应强度与磁通的关系如果磁场是均匀磁场，且与截面垂直时，可简化为或

磁感应强度

又称为磁通密度，简称磁密。在国际单位制中，

的单位为

（韦伯），

。

1.1

磁场及基本电磁定律3.磁场强度

或

磁场强度

是为电流与其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，其方向与

相同，其单位为安/米（

）

，其大小关系为。式中，

-磁导率，它是反映导磁介质性能的物理量。磁导率

越大的介质，其导磁性能越好。磁导率的单位是亨利/米（

）。真空的磁导率为

。其它导磁介质的磁导率

常用

的倍数来表示，即式中，

为导磁介质的相对磁导率，无单位。

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.2电机中所用材料和铁磁材料的特性1.电机中所用的材料电机所用材料通常分为四大类。导电材料、导磁材料、绝缘材料和机械支撑材料。1）导电材料用来构成电路，通常有铜材和铝材。2）导磁材料也称为铁磁材料，用来构成磁路。铸钢，铸铁。为了减少铁心中的涡流损耗，导磁材料常用两面涂有绝缘漆的薄钢片叠成，这种薄钢片称为电工钢片。3）用绝缘材料把导电体之间，导体与机壳或铁心之间分隔开来。常用的绝缘材料有云母、石棉、玻璃丝和陶瓷材料等。4）电机上有些结构部件是专作机械支撑用的，例如机座、端盖、轴、轴承、螺杆等。大部分机械支撑材料用钢铁或铝合金制成。

1.1

磁场及基本电磁定律2.铁磁材料的磁特性1）具有高的导磁性能2）磁化曲线呈非线性（饱和特性）磁化特性可用磁化曲线来描述，即曲线。图3铁磁材料的磁化曲线3）存在磁滞现象和磁滞损耗

铁磁材料被反复磁化和退磁时，B-H曲线不是单值，而是一条磁滞回线（abcdefa），如图4所示。根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料、软磁材料和矩磁材料三类。图4铁磁材料的磁滞回线磁滞损耗涡流损耗铁心损耗4）存在涡流损耗

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.3电机理论中常用的基本电磁定律1.电路定律电路定律有基尔霍夫第一定律、基尔霍夫第二定律和欧姆定律。2.磁路定律1）磁路基尔霍夫第一定律2）磁路基尔霍夫第二定律在工程中常用图5全电流定律的应用

1.1

磁场及基本电磁定律2.磁路定律3）磁路欧姆定律由安培环路定律可得式中，

称为磁路的磁阻，则磁路欧姆定律为图6磁路欧姆定律

1.1

磁场及基本电磁定律3.右手螺旋定则（1）通电导线右手螺旋定则（2）通电线圈右手螺旋定则通电的导线周围会产生磁场，其电流和磁场的方向可用右手螺旋定则判定。

通电的线圈在线圈内部及周围也会产生磁场，电流和在线圈内部的磁场方向可用右手螺旋定则判定。图7右手螺旋定则

1.1

磁场及基本电磁定律4.楞次定律当通过线圈中的磁通发生变化时，在线圈内部会产生感应电动势，而感应电动势的方向总是企图使它所形成的感应电流所产生的磁通阻止原磁通的变化，如图8所示。式中，-磁链；-磁通；-线圈匝数。图8楞次定律-线圈中感应电动势方向的判定

1.1

磁场及基本电磁定律5.电动机左手定则6.发电机右手定则图9电动机左手定则图10发电机右手定则

1.2变压器的用途、工作原理及结构

变压器是一种静止电器，也是一种静止电机，它通过绕组间的电磁感应，将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能1.2.1变压器的用途（1）电力传输系统中，从发电厂发出的电能输送到用户的整个过程，需多次用到变压器。变压器的安装容量达到发电机总装容量的5～7倍。（2）在电力拖动系统或自动控制系统中，变压器作为能量传递或信号传递的元件。（3）为提供特种电源或满足特殊需要。如冶炼用的电炉变压器、焊接用的电焊变压器、船用变压器以及试验用的调压变压器等。

1.2变压器的用途、工作原理及结构1.2.2变压器的基本工作原理和分类1.变压器的基本工作原理图11变压器工作原理示意图一次侧加交流电压，一次绕组便有交流电流，在铁心中产生交变磁通（由和共同产生），在一次、二次绕组上分别产生电动势和。根据楞次定律可得实际上，所以得，

1.2变压器的用途、工作原理及结构2.变压器的分类1）按用途分类：电力变压器（升压、降压、配电、联络变压器）、特种变压器（电炉、电焊、整流变压器等）、仪用互感器（电流、电压互感器等）、控制变压器（电源、输入、输出、脉冲变压器等）、其他变压器（试验用的高压变压器、调压变压器、差分变压器等）；2）按相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器等；3）按冷却方式分类：干式变压器（冷却介质为空气，如小型变压器）、油浸式变压器（又分为自冷、风冷、强迫油循环，冷却介质为变压器油，如电力变压器）、充气式变压器（冷却介质为特种气体，如六氟化硫充气式变压器）；4）按绕组数目分类：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器等；5）按调压方式分类：无励磁调压变压器、有载调压变压器。

1.2变压器的用途、工作原理及结构3.变压器的基本结构1）铁心铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。铁心是变压器的磁路系统，并作为变压器的机械骨架。为了提高导磁性能和减少磁滞及涡流损耗，采用0.35~0.5mm或者更薄的、且表面涂有绝缘漆的冷轧硅钢片叠成。铁心的结构有心式和壳式

1.2变压器的用途、工作原理及结构铁芯叠装方法：叠片式、卷制式

铁心的交错叠装

卷制式铁心

1.2变压器的用途、工作原理及结构2）绕组（线圈）绕组是变压器中的电路部分。小变压器一般用圆形漆包铜线绕制，容量稍大的变压器用绝缘扁铜线或扁铝线绕制。接到高压电网的绕组称高压绕组，接到低压电网的绕组称低压绕组。与电源相接的绕组称为一次绕组，与负载相接的绕组称为二次绕组。按高、低压绕组的相互位置和形状不同，分为同心式和交叠式。

1.2变压器的用途、工作原理及结构3)油箱和冷却装置变压器油是从石油中分镏出来的矿物绝缘油，是透明液体，主要成分是烷烃。起绝缘、散热、消弧的作用。4)其他附属装置(1)绝缘套管（2）压力释放阀（3）保护装置（4）分接开关

作用：为了使配电系统得到稳定的电压，通常在变压器的高压侧设置抽头，并装设分接开关，调节变压器高压绕组的工作匝数，来调节变压器的二次电压。

1.2变压器的用途、工作原理及结构（5）铭牌铭牌上标明了变压器的型号、额定数据等，是正确使用变压器的依据。A

型号指长期运行时所能承受的工作电压。是指一次侧所加的额定电压；是指一次侧加额定电压时，二次侧的开路电压。三相变压器的额定电压为是指线电压。指变压器在允许的发热条件下而规定的满载电流。三相变压器是指线电流。B额定电压C额定电流

1.2变压器的用途、工作原理及结构在额定状态下运行时，变压器二次侧输出的视在功率。以上三者的关系，单相：三相：E阻抗电压又称短路电压，指在额定电流时变压器的阻抗压降。用百分值表示，除此之外，铭牌上还标有额定频率、效率、温升、相数、联接组别标号、接线图等。D额定容量

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.1变压器的空载运行变压器空载运行是指变压器一次绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的运行状态，如图12所示。图12单相变压器空载运行1.空载运行时各物理量参考方向的规定图13参考方向的规定（1）电压的参考方向：在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。（2）磁通的参考方向：磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。（3）感应电动势的参考方向：由交变磁通产生的感应电动势

，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致（即感应电动势与产生它的磁通之间符合右手螺旋定则），如图13所示。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性2.电动势平衡方程式和变比设交变磁通有效值为一、二次侧感应电动势有效值分别为一、二次侧感应电动势的相量表达式分别为一次侧漏电动势一次侧回路电压平衡二次侧回路电压平衡变压器的变压比

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性3.变压器的空载电流和空载损耗1）空载电流的作用与组成2）空载电流的性质和大小性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质，也称励磁电流。大小：与磁路的饱和程度及磁阻大小有关。由于变压器铁心用硅钢片或非晶合金电工钢片，磁阻很小，所以空载电流也很小。用空载电流百分数I0%来表示，3）空载损耗变压器空载时，一次侧从电源吸收少量有功功率，供给铁损耗和绕组铜损耗，由于和均很小于，即，故，即空载损耗近似为铁损耗。

对于已制成的变压器，

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性4.空载时的相量图图14变压器空载时的相量图由图14可见，变压器空载运行时的功率因数角，即

与

之间的夹角接近

，说明变压器空载运行时的功率因数

很低，一般在0.1~0.2之间。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.2变压器的负载运行变压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行，如图15所示。图15单相变压器负载运行根据前面分析所得恒磁通的概念。负载运行时，忽略空载电流则有则表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.3变压器的阻抗变换变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的作用，如图16所示。图16

变压器的阻抗变换即

说明负载阻抗通过变压器接电源时，相当于阻抗增加到倍。广泛用在电子电路中。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-1

某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为，接人的扬声器阻抗为

现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器的变比k。若该变压器一次绕组匝数

匝，问二次绕组匝数N2为多少?解

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.4变压器的运行特性1.变压器的外特性在保持一次绕组电压和负载的功率因数不变的条件下，变压器二次电压与负载电流之间的关系称为变压器的外特性。即图17

外特性当变压器带纯电阻性负载时，电压降

较小，为正值。当变压器带阻感性负载时，电压降

较大，为正值。当变压器带阻容性负载时，电压降

为负值。2.变压器的电压调整率电压调整率的大小反映了供电电压的稳定性，与负载的功率因数有关。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-2解

根据定义则

某台供电电力变压器将U1N=10kV的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该变压器的电压变化率=5%，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变比ku。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性3.变压器的损耗和效率

输入变压器的有功功率

与向负载输出有功功率

之差就是变压器的损耗，即1）铁损耗铁损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗铁损耗与一次侧所加的电源电压大小有关，而与负载电流的大小无关。因此铁损耗又称为“不变损耗”。2）铜损耗变压器的铜损耗主要指一、二次绕组的电阻损耗。铜损耗的大小与负载电流平方成正比，故也称为“可变损耗”。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性2）铜损耗变压器的损耗可表示为3）效率效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。由于没有机械损耗，比同容量旋转电机的效率要高，一般小型电源变压器的效率在80%以上，中、小型电力变压器效率在95%以上，大型电力变压器效率可达99%以上。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-3解

S9-500/10低损耗三相电力变压器额定容量为500kV·A，设功率因数为1，二次电压U2N=400V，铁损耗PFe=0.98kW，额定负载时铜损耗PCu=4.1kW，求二次侧额定电流12N及变压器效率。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性其效率特性曲线如图所示，图中

称为负载系数。其中所以变压器的效率为4）效率特性

1.4三相电力变压器1.4.1三相电力变压器的磁路系统1.组式变压器2.心式变压器图18

三相组式变压器图19

三相心式变压器

1.4三相电力变压器1.4.2三相变压器的极性1.变压器的极性当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点称为同极性端或同名端，通常用符号“”表示。2.变压器极性的判定1）对两个绕向已知的绕组，绕向相同的是同名端。

2）对已经制成的变压器（1）交流法（2）直流法图20

交流法测定同名端图21

直流法测定同名端

1.4三相电力变压器1.4.3三相变压器的电路系统——联结组别1.三相绕组的连接方法为了在使用变压器时能正确连接而不发生错误，变压器绕组的每个出线端都有一个标记图22

三相绕组的连接方法2.三相变压器的联结组别时钟法：理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一次、二次线电动势的相位差总是

的整数倍。因此可以用时钟表示法，

作为时钟的分针（长针），指向12点，

作为时钟的时针（短针），其指向的数字就是三相变压器的联结组别号。组别号的数字乘以

，就是二次绕组线电动势滞后于一次绕组相应线电动势的相位角。以Y，y联结和Y，d联结的变压器分别加以分析。

1.4三相电力变压器1）Y，y联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,y4联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,y8联结。Y,y0

联结组

1.4三相电力变压器1）Y，y联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,y10联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,y2联结。Y,y6联结组

1.4三相电力变压器2）Y，d联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,d3联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,d7联结。Y,d11联结组国标规定只生产这5种连接组别的电力变压器：Y，d11；Y，yn0；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中前3种最为常用。

1.4三相电力变压器2）Y，d联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,d5联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,d9联结。Y,d1

联结组

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行并联运行：是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。图22

三相变压器的并联并联运行的优点：①提高供电的可靠性（检修或故障时）；②提高供电的经济性（负载因昼夜或季节波动大时）；③减少备用容量和初次投资。并联运行的条件：①并联运行的各变压器连接组别标号相同；②并联运行的各变压器变比相同（允许有±0.5%的差值）；③并联运行的各变压器短路电压（或短路阻抗）相等（允许有±10%的差值）。其中，第一条必须满足。除上述3个条件外，并联运行各变压器的容量比一般不宜超过3:1。

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行1.变比不等时的并联运行变压器的短路阻抗不大，故在

不大的下也会有很大的平衡电流。变压器空载运行时，平衡电流流过绕组，会增大空载损耗，平衡电流越大则损耗会越多。变压器负载时，二次电动势高的那一台电流增大，而另一台则减少，可能使前者超过额定电流而过载，后者则小于额定电流值。所以，有关变压器的标准中规定，并联运行的变压器，其变压比误差不允许超过

。

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行2.联结组别不同时变压器的并联运行

如果两台变压器的变比和短路阻抗的标幺值均相等，但是联结组别不同时并联运行，则其后果十分严重。因为联结组别不同时，两台变压器二次绕组电压的相位差就不同，它们线电压的相位差至少为30，所以会产生很大的电压差AU2。图1-45所示为Y，y0和Y，d11两台变压器并联，二次绕组线电压之间的电压差为，其数值为

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行3.阻抗电压(短路电压)的标幺值不等时变压器的并联运行

假设两台容量相同，变比相等、联结组别也相同的三相变压器并联运行，现在来分析它们的负载如何均衡分配。设负载为对称负载，则可取其一相来分析。

变压器的并联运行，还存在一个负载分配的问题。两台同容量的变压器并联，由于短路阻抗的标幺值差别很小，可以做到接近均匀的分配负载。当容量差别较大时，合理分配负载是困难的，特别是担心小容量的变压器过载，而使大容量的变压器得不到充分利用。为此，要求投人并联运行的各变压器中，最大容量与最小容量之比不宜超过3:1。

1.5其它用途变压器1.5.1自耦变压器1.结构特点及用途特点：一、二次绕组之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。能节省材料、降低成本、减少体积和重量以利于运输和安装。用途：（1）在电力系统中，用于连接两个电压等级相近的电力网，作为联络变压器用；（2）在工厂和实验室作调压器用；（3）作为异步电动机的降压起动用。图23

自耦变压器的原理图

1.5其它用途变压器2.电压、电流及容量关系磁动势平衡方程式自耦变压器的变比自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与匝数成反比，相位反相。流经公共绕组中的电流的大小为可见，公共绕组的电流I总是小于输出电流I2。当变比K接近于1时，则I1与I2的数值接近，即公共绕组中的电流I很小，因而公共绕组可用截面积较细的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。当变比k在1.2～2之间时，自耦变压器的优势更明显。

1.5其它用途变压器一、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及到低压侧，很不安全。因此要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。3.自耦变压器的缺点4.自耦调压器实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U1＝220V，二次绕组输出电压U2＝0～250V，输出电压可调到稍高于一次绕组电压。由三个单相调压器组合而成，共用一个转轴和手柄。

1.5其它用途变压器1.5.2电焊变压器电焊变压器是交流弧焊机的主要部分，交流弧焊机实质上是一台特殊的降压变压器。为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器的要求如下：（1）电焊变压器在空载时，应有一定的空载电压，通常U0＝60～70V，以保证起弧容易。另一方面，为了操作者的安全，空载起弧电压又不能太高，最高不宜超过85V。（2）在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降，即应有陡降的外特性。通常在额定负载时的输出电压约30V左右。（3）短路电流ISC不应过大，不超过额定值的两倍，以免损坏电焊机。（4）为了适应不同的焊接工件和不同焊条的需要，要求输出电流能在一定范围内可调节。（c）外特性曲线（b）原理图

（a）电焊机外形

1.5其它用途变压器电焊变压器的结构特点：必须具有较大的漏抗，且可以调节，故铁心的气隙比较大，一次、二次绕组不是同心地套在一个铁心柱上，而是分装在两个铁心柱上，再用磁分路法、串联可变电抗器法及改变二次绕组接法等来调节焊接电流。常用形式有抽头式、可动铁心式、可动线圈式和综合式等。（b）焊接电流粗调（a）电焊机结构图（c）焊接电流细调

1.5其它用途变压器1..5.3仪用互感器仪用互感器的作用：①为了测量人员的安全，使测量回路与高压电网相互隔离；②扩大测量仪表（电流表及电压表）的测量范围；③在电力系统中作为测量、控制、指示、继电保护等电路的信号源。1.电流互感器在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器称为电流互感器。（b）电路原理图（a）外形图

1）测量原理①一次侧串在被测电路中，匝数少，导线粗；②二次侧电流表量程一般为5A。实际中已换算成一次电流，其标度尺按一次电流分度，这样可以直接读数，不必再进行换算。

1.5其它用途变压器2）电流互感器使用注意事项①二次绕组不允许开路。若开路，二次侧电流的去磁作用消失，这时一次侧的大电流便成为励磁电流，如此大的励磁电流将使铁心中的磁通猛增，导致铁心过热使绕组绝缘损坏；②铁心及二次绕组一端必须可靠接地；③二次侧所接仪表的阻抗不得大于规定值。否则会降低电流互感器的测量精度。2.钳形电流表利用互感器原理制造的便携式钳形电流表，其优点是测量线路电流时不必断开电路，使用方便。钳形电流表测量原理图

1.5其它用途变压器3.电压互感器

在电工测量中用来按比例变换交流电压的仪器称为电压互感器。1）测量原理（a）外形图

（b）电路原理图①一次侧并在被测电路中，匝数多，导线细；②二次电压表量程一般为100V。实际中已换算成一次电压，其标度尺按一次电压分度，这样可以直接读数，不必再进行换算。

1.5其它用途变压器2）电压互感器使用注意事项①二次绕组不允许短路。若短路，将产生很大的短路电流，致使过热烧毁绕组；②铁心及二次绕组一端必须可靠接地；

③使用时，二次绕组回路不宜接入过多的仪表，以免影响电压互感器的测量精度。

1.5其它用途变压器例1-5

用变压比为10000V/100V的电压互感器，变流比为100A/5A的电流互感器扩大量程，其电流表读数为3.2A，电压表读数为66V，试求被测电路的电流和电压各为多少？解被测电路的电流等于电流表读数乘以电流互感器电流比，即被测电路的电压等于电压表读数乘以电压互感器变压比，即电机与电气控制技术第2章异步电动机学习目标【知识目标】

了解三相异步电动机的结构、分类及铭牌数据； 掌握三相异步电动机的工作原理； 掌握三相异步电动机的机械特性、拖动方法及其特点； 掌握单相异步电动机的基本形式和工作原理。【技能目标】

能够分析三相异步电动机的起动、调速、反转与制动过程； 能够对三相异步电动机的一般故障进行检修。第2章异步电动机2.1.1三相异步电动机的结构异步电动机主要由固定不动的定子和旋转的转子两大部分组成，定子与转子之间是气隙，在定子两端有端盖支撑转子。1.异步电动机的定子异步电动机的定子由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成。1）机座：其作用主要是固定与支撑定子铁心，它也是电动机磁路的一部分。2）定子铁心：它是异步电动机磁路的一部分，用以嵌放定子绕组。3）定子绕组：它是三相对称绕组，当通入三相交流电时，能产生旋转磁场，并与转子绕组相互作用，实现能量的转换与传递。2.异步电动机的转子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组及转轴等部件组成。作用是带动其它机械设备旋转。1）转子铁心：转子铁心的是电动机磁路的一部分，在转子铁心外圆冲有许多槽，用来嵌放转子绕组。转子铁心也是用0.5mm的硅钢片叠压而成，整个转子铁心固定在转轴上。2）转子绕组：转子绕组的结构可分为绕线型转子和鼠笼型转子。3.气隙气隙是定子和转子之间的物理间隙，是定子和转子之间磁通的必经之路。2.1.2三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场及同步转速同步转速（r/min）极对数p123456n1(r/min)300015001000750600500通入三相定子绕组中的电流相序为U→V→W，则旋转磁场的方向为U→V→W,如果把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中两相，如电流的相序为U→W→V,则旋转磁场的方向反向，转子运动方向也改变。转向：2.转子旋转原理及转差定子磁场顺时针方向旋转，而转子导体相对磁极为逆时针方向切割磁力线。因转子绕组是闭合的，转子导体中产生电流，转子载流导体在磁场中要受到电磁力，在转子导体上形成一个顺时针方向的电磁转矩，于是转子就随着旋转磁场顺时针方向转动。电动机转子的旋转方向与旋转磁场对的方向一致。异步电机稳态时转子转速始终与旋转磁场的转速不同，一般略低于或高于同步转速。因为只有转子转速与同步转速不同时，才能产生电磁转矩驱动转子旋转，假设某一时刻转子的转速与旋转磁场转速相同，无相对运动，转子不能产生感应电动势和感应电流，也就没有电磁转矩，在空载转矩和负载转矩的作用下，转子的转速会立即下降，低于旋转磁场的转速。这是为什么感应电机被叫做异步电机。通常把同步转速n1与转子转速n之间的差称为转差（或滑差）。转差与同步转速n1的比值称为转差率（或滑差率）2.1.3三相异步电动机的铭牌数据1．型号型号是选用产品名称中最有代表意义的大写字母及阿拉伯数字表示的，主要包括产品代号、设计序号、规格等。我国生产的异步电动机的主要产品代号见表2-2，Y表示异步电动机，R代表绕线式，D代表多速等。设计序号用阿拉伯数字表示。规格代号对于中小型异步电动机包括中心高（mm）、机座长度代号、铁芯长度代号及磁极数；对于大型异步电动机则包括功率（kW）、磁极数、铁芯外径等。2．额定值额定值是设计、制造、管理和使用电动机的依据。1）额定功率，是指电动机在额定负载运行时轴上所输出的机械功率，单位为kW。2）额定电压，是指电动机额定运行时，定子绕组所加的线电压，单位为V。三相异步电动机的额定电压有380V、3kV、6kV和10kV等多种规格，小容量电动机以380V/220V应用为主。3）额定电流，是指电动机在额定电压下运行，输出额定功率时，定子绕组的线电流有效值，单位为A。4）额定频率，是指加载电动机定子绕组上的允许频率。我国的工频多为50Hz。对于采用变频调速或其他有专门用途的电机，额定频率通常在12.5~70Hz。5）额定转速，是指电动机在额定状态下，转子的转速，单位为r/min。6）额定功率因素，是指电动机在额定状态下运行时定子侧的功率因素。3.接法异步电动机三相定子绕组的连接方法有星形(Y)联结和三角形(△)联结之分。7）效率，电动机的效率是指电动机转子轴输出功率与电网输入电动机的有功功率的比值。8）绝缘等级9）工作方式，电动机的工作方式分为连续工作制、短期工作制、断续工作制三类。2.2.1三相异步电动机的运行状态1.空载运行转轴上不带任何机械负载，电磁转矩只需克服轴承摩擦与转子风阻等产生的空载转矩即能稳定运行。此时转子的转速n接近同步转速n1，旋转磁场与转子之间的相对转速差接近于零，即旋转磁场与转子之间几乎没有相对运动，旋转磁场也就不切割转子绕组，因此转子绕组上产生的感应电动势接近于零，转子电流也接近于零。空载时定子电流近似等于激磁电流。2.2.2三相异步电动机的电动运行2.负载运行电机的转速将从空载转速n0下降到转速n，与此同时转子绕组的感应电动势和电流将会增大。若气隙旋转磁场为正向旋转，转子三相对称绕组的感应电动势和电流也将是正相序，产生正向旋转的转子磁动势。转子绕组的感应电动势和转子电流的频率f2。对称稳态运行时，无论转子实际转速多少，转子磁动势在空间的转速总是等于同步转速n1，与定子磁动势保持相对静止,这是三相异步电动机产生恒定的电磁转矩的必要条件。2.3.1三相异步电动机的等效电路1.三相异步电动机的“单相”分析方法2.等效电路简化频率归算2.等效电路简化绕组归算T型等效电路2.3.2三相异步电动机的功率功率流图2.3.3三相异步电动机的电磁转矩和机械特性Tem既可以用总机械功率除以转子机械速度算出，也可以用电磁功率除以同步机械角速度1.电磁转矩2.固有机械特性起动点C：起动转矩倍数临界点B：过载能力同步点A额定点P3.人为机械特性1）降低定子电压U1时的人为机械特性3.人为机械特性2）定子电路串联对称电阻的人为机械特性3.人为机械特性3）转子电路内串联对称电阻的人为机械特性2.4.1电力拖动系统的基本知识电力拖动系统组成运动状态：稳定运行、加速运行、减速运行负载转矩特性恒转矩负载特性恒功率负载特性离心式负载特性2.4.2三相异步电动机的起动1.直接起动2．笼型异步电动机的降压起动1）定子串接电抗器或电阻降压起动定子绕组实际所加电压减小，从而减小起动电流。但定子串接电阻时，能耗较大。2）Y—△起动起动电流是直接起动时的1/3，起动转矩也是直接起动的1/3。3）自耦变压器（起动补偿器）起动3．绕线型异步电动机的起动1）转子串接电阻起动2）转子串频敏变阻器起动起动时断开接触器，频敏变阻器接入转子电路。由于起动时转差率大，转子电流频率高，频敏变阻器的铁心损耗大，等效电阻大，既限制了起动电流，增大起动转矩，又提高了转子回路的功率因数。随着转速提高，转子电流频率减小，铁心损耗和等效电阻也随之减小，相当于逐渐切除了转子电路所串的电阻。频敏变阻器起动结构简单，运行可靠，但与转子串电阻起动相比，在同样电流下起动转矩要小些。2.4.3三相异步电动机的调速1．变极调速2．变频调速1）额定频率以下调速当频率在额定频率以下改变时，一般维持主磁通不变，即保持U1/f1为恒定值，频率在额定频率附近时可认为最大转矩为恒定值，频率较低时，最大转矩将减小。这种控制方式称为恒压频比调速，因其最大转矩变化不大，又称为恒转矩调速。当运行频率高于额定频率时，由于电动机端电压不允许升高，因此维持端电压不变。此时主磁通将减小，最大电磁转矩将减小，此时近似认为是恒功率调速。2）额定频率以上调速3．变转差率调速1）改变定子电压调速2）转子串电阻调速3）串级调速2.4.4三相异步电动机的制动1.三相异步电动机的机械制动电磁抱闸制动常用于起重机械、电梯等设备，比如建筑工地上的塔式起重机，在起吊重物停止时，电磁抱闸能可靠地制动，防止重物下落。2.三相异步电动机的电气制动1）能耗制动2）反接制动电源反接制动2）反接制动倒拉反转反接制动3）回馈制动2.5.1单相异步电动机的结构和工作原理1.单相异步电动机的结构2.单相异步电动机的工作原理1）单绕组通电的磁场和机械特性2）两相绕组通电的磁场和机械特性3.单相异步电动机的基本形式1）电阻分相单相异步电动机2）电容分相单相异步电动机3）罩极式单相异步电动机2.5.2单相异步电动机的调速与反转1.单相异步电动机的调速1）串电抗调速2）绕组抽头法调速2.5.2单相异步电动机的调速与反转1.单相异步电动机的调速3）晶闸管无极调速电机与电气控制技术第3章直流电动机学习目标第3章直流电动机【知识目标】

掌握直流电动机的工作原理； 掌握直流电动机的机械特性、拖动方法及其特点； 了解直流电动机的结构、分类及铭牌数据。【技能目标】

能够计算直流电动机的电枢电势和电磁转矩等相关参数； 能够分析直流电动机的起动、调速、反转与制动过程； 能够对直流电动机的一般故障进行检修。3.1.1直流电动机的结构1．定子定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑，它包括机座、主磁极、换向极、电刷装置、轴承和端盖等。2．转子转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等3.1.2直流电机的铭牌1）额定电压UN

在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。额定电压的单位为V。2）额定电流IN

在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。额定电流的单位为A。3）额定功率（额定容量）PN电机在额定情况下允许输出的功率。额定功率的单位为kW。发电机：电动机：4）额定转速nN在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。额定转速的单位为r/min。5）额定励磁电压指对应额定功率、额定电压、额定电流、额定转速时需施加到电机励磁绕组的电压。额定励磁电压的单位为V。3.1.3直流电动机的励磁方式3.2直流电机的工作原理3.2.1直流电动机的工作原理3.2.2直流发电机的工作原理3.2.3电机的可逆性原理一台直流电机原则上即可作为发电机运行，也可作为电动机运行，只是外界条件不同而已。在直流电机的电刷上加直流电源，使电机旋转，将电能转换成机械能，电机作为电动机运行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则电机作为发电机运行。同一台电机，即可作电动机运行又可作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。3.2.4直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.电枢电动势导体速度电枢电动势每极磁通量电动势常数仅与电机结构有关改变磁通和转速大小，均可以改变电枢电动势电枢电动势每根导体的电磁转矩每根导体的所受电磁力总的电磁转矩电磁转矩常数仅与电机结构有关改变磁通和电枢电流的大小，就可以改变电磁转矩。1.电磁转矩3.2.5直流电动机的基本方程3.3直流电动机的机械特性3.3.1他励直流电动机的固有机械特性直流电动机的机械特性是指在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻不变的条件下，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。理想空载转速机械特性的斜率转速降实际空载转速3.3.2他励直流电动机的人为机械特性1）电枢回路串电阻时的人为机械特性2）降低电枢电压时的人为机械特性3）减弱励磁磁通时的人为机械特性当负载转矩较小时，减弱励磁磁通会使电动机稳态转速升高。但当负载转矩很大时，降低励磁磁通也能使稳态转速降低。实际运行时，由于电动机电枢电流限制，实际输出转矩受限，都工作于负载转矩相对较小的区间，因此人为降低励磁磁通，稳态转速升高。3.4直流电动机的电力拖动3.4.1直流电动机的起动要求起动电流不能很大，起动转矩要足够大，缩短起动时间，提高生产率1）电枢回路串电阻分级起动2）降压起动降压起动过程中能量耗损耗很少，起动平滑，但需要专用电源设备，多用于要求经常起动的场合和大中型电动机的起动。3.4.2直流电动机的调速1．调速及其指标1）调速范围（D）调速范围是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。2）2）静差率（又称相对稳定性）（δ）静差率是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。用理想空载增加到额定负载时电动机的转速降落与理想空载转速之比来衡量。3）调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数(Ф)。4）调速的经济性经济性是指调速所需要设备投资和调速过程中的能量损耗等。5）调速时电机的容许输出容许输出是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。2．调速方法1）电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低。所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢电路串电阻调速的设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。这种方法适用于调速性能要求不高的中、小型电机。2）降低电枢电压调速降低电枢电压调速，需要有单独的可调电压的直流电源，加在电枢上的电压不能超过额定电压UN，所以调速范围也只能在低于额定转速的范围内调节。降低电枢电压时，电动机机械特性的硬度不变，因此运行在低速范围的稳定性较好。当电压连续可调时，可进行无级调速，调速平滑性好。3)减弱励磁磁通调速减弱磁通调速，在正常的工作范围内，励磁磁通越弱，电动机的转速越高。因此弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节，但是电动机的最高转速受到换向能力、电枢机械强度和稳定性等因素的限制，所以转速不能升得太高。弱磁调速是在励磁回路进行调速，所用设备容量小，因此损耗小；控制方便可实现无级调速，平滑性好。这种调速方法的缺点是机械特性软，当磁通减弱相当多时，运行将不稳定。3.4.3直流电动机的反转改变直流电动机的转向，需要改变直流电动机的电磁转矩方向。根据电磁转矩表达式，需要改变电枢电流的方向或主磁场的方向。因此，使他励直流电动机反转需要反接电枢绕组或励磁绕组。值得注意的是，如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向，电动机的电磁转矩方向不变，转向不会发生变化。3.4.4直流电动机的制动1．能耗制动能耗制动操作简便，但制动转矩在转速较低时变得很小。2．反接制动1）电枢反接制动2．反接制动2）倒拉反转反接制动3）回馈制动回馈制动的机械特性与电动状态完全相同。由于回馈制动时n>n0,Ia和T均为负值，所以它的机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线第二象限的延伸。电枢回路串电阻将特性曲线的斜率增大，转速过高，因此回馈制动时禁止串接电阻。回馈制动不需要改接线路即可从电动状态转化到制动状态；电能可回馈给电网，使电能获得应用，较为经济。4.1步进电动机第四章控制电动机知识学习——步进电动机学习目标1．了解步进电动机的作用和用途2．熟悉步进电动机的结构3.掌握反应式步进电动机的工作原理4.了解反应式步进电动机运行特性

5．初步了解步进电动机的驱动电源及其构成知识学习——步进电动机的应用

步进电动机是一种将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电动机可以在不作A/D转换的情况下直接将数字脉冲信号转换成角位移或直线位移，因此特别适合用作数字控制系统的伺服驱动元件，在当代机械加工领域、工业自动化领域应用广泛。

步进电动机的种类很多，按运行原理划分有磁阻反应式（也叫VR型）、永磁式（也叫PM型）及混合式（也叫HB型）。近些年又发展出直线式步进电动机、平面步进电动机等等新的种类。知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构1.步进电动机的种类知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构2.步进电动机的结构（1）反应式步进电动机

反应式步进电动机的定、转子磁路均由硅钢片叠压而成，定子上有多相绕组，利用磁阻的变化产生转矩，是当前应用最为广泛的步进电动机。反应式步进电动机的相数通常为三、四、五、六相，如图为三相式。

知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构2.步进电动机的结构（2）永磁式步进电动机永磁式步进电动机定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极，极弧上不开小齿，磁极上装有集中线圈并将它们连接成二相或多相绕组。转子为凸极式星形磁钢。转子的极数与每相定子绕组的极数相同。图4-5所示为一永磁式步进电动机的断面示意图，其具有二相二对极的绕组（A0、B0），转子为二对极的磁钢。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理1.绕组通电控制模式（1）三相单三拍通电模式

电动机的转速取决于绕组通电和断电的频率（即输入脉冲的频率），旋转方向取决于绕组轮流通电顺序，若电动机通电次序改为A-C-B-A……，则电动机反向转动。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理1.绕组通电控制模式（2）三相双三拍通电模式

绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每一拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。当A、B两相绕组通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子磁极的作用，只有A相、B相的磁极对转子产生的磁拉力相平衡时才是转子的平衡位置，如图4-8所示。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理2.基本参数计算（1）步距角计算

（2）转速计算

也可表示为知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标1.静态矩角特性

根据电动机的机电能量转换原理，可以推演出反应式步进电动机的矩角特性的具体关系式

矩角特性曲线知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（1）控制脉冲频率对电动机运行的影响

步进电动机处于持续脉冲控制下连续转动时，可能有三种运行状态：

①当脉冲频率很低时，前一次脉冲驱动下转子转过一步已经停止在平衡位置而后一脉冲尚未发送，导致电动机每一步都同单步运行相似，具有明显的步进特征。

②频率较高时，脉冲持续时间比转子衰减振荡时间短，转子在新的平衡位置处于振荡状态还未稳定下来但下一个脉冲已到，如此可能导致转子运转步数与脉冲数不再符合既定的比例规律从而出现所谓的失步现象。③脉冲频率很高，脉冲间隔时间很短，在前一次脉冲驱动下转子尚未达到振荡的幅值，甚至还没有达到新的稳定平衡位置，但后一次脉冲已经到达，此时电机的运行就会由步进变为连续平滑转动，转速很平稳。需要注意的是，脉冲频率如果过高同样会导致失步现象。知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（2）矩频特性步进电动机的磁阻转矩与脉冲频率的关系称为矩频特性。反应式步进电动机的矩频特性可由如下定性曲线描述知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（3）起动矩频特性与起动惯频特性

步进电动机负载转矩与起动频率的关系称为起动矩频特性，一般反应式步进电动机的起动矩频特性如图步进电动机转子惯量与起动频率的关系称为起动惯频特性，一般反应式步进电动机的起动惯频特性如图起动矩频特性曲线起动惯频特性曲线知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标

实际应用中，需要加装滚珠丝杠等机械传动装置将步进电动机的回转运动转变为直线运动。故步距角常常根据系统要求的脉冲当量和丝杆螺距来计算如下：

知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标

静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。

最大静转矩是指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值，可表为

知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标（4）额定电流（5）额定电压

额定电压是指驱动电源提供的直流电压。一般情况下它不等于加在绕组两端的电压。国标规定步进电动机的额定电压如下，

单一电压型电源：6V、12V、27V、48V、60V、80V

高低压切换型电源：60/12V、80/12V

额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。知识学习————步进电动机的应用4.1.4驱动电源步进系统中的驱动电源

步进驱动系统实际上是一个机电一体化系统，步进电动机需要专门的驱动电源（或叫做驱动器）供电，电动机本体与驱动电源相互联系，步进驱动系统的性能是由电动机本体与驱动电源共同确定的。驱动电源的主体通常包含：脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲功率放大器这三个部分。4.2

永磁同步伺服电动机第四章控制电动机知识学习——永磁同步伺服电动机学习目标1．了解永磁同步伺服电动机的作用和用途2．熟悉永磁同步电动机的结构3.初步掌握正弦波永磁同步电动机的工作原理及其稳态特性4.了解交流电机的矢量控制原理

5．初步掌握掌握无刷直流电动机的工作原理及驱动控制方法知识学习——永磁同步伺服电动机

永磁同步伺服电动机是当代一类优秀的控制驱动电机，常见的有无刷直流电动机、正弦波永磁同步伺服电动机，由于其在高品质运动控制输出（位移输出、速度输出等）方面的优异性能，在数控加工、工业自动化、新能源汽车、航空航天等方面应用广泛。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.1伺服电动机概述

所谓伺服电动机就是具备高品质运动控制特征的驱动电机，伺服电动机具有控制输出精度高、动态响应快、运行稳定性好的特点，可以是直流机也可以是交流机、可以是同步机也可以是异步机，可以实现常见的位移（或位置）伺服控制输出、速度伺服控制输出，也能实现加速度以及更高阶运动参量的伺服控制输出。

伺服电动机的源起可追溯到二十世纪中叶，最初基本以他励、并励式有刷直流伺服电动机为主，二十世纪八十年代以后，随着高性能稀土永磁材料的逐步推广使用，在小型、微型容量范围之内各种类型永磁电机纷纷取代了传统电励磁电机，在此背景下，高性能的永磁式同步伺服电动机应运而生，成为了当代驱动领域的亮点之一。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构1）永磁体表装式转子结构

表装式转子上永磁体呈瓦片状，位于转子铁芯外表面上，永磁体提供的磁通方向为径向，通常在永磁体外表面上加装非磁性圆筒形护套或在永磁磁极表面包扎无纬玻璃丝带作保护层。表装式转子通常制造工艺简单、成本低，如采用表贴式转子制造工艺简单、成本低。永磁磁极易于实现最优设计，可使电动机气隙磁通密度波形接近于矩形波或正弦波，能显著提高电动机及整个传动系统的性能。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构1）永磁体表装式转子结构（1）表贴式（2）表面嵌入式表贴式表面嵌入式知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构2）永磁体内置式转子结构

永磁体位于转子内部，并且在永磁体外表面与转子铁芯外圆之间有铁磁材料制作的极靴。

有一部分永磁同步电动机在极靴中放置铸铝笼或铜条笼，起到起动和阻尼的作用。这种构造的永磁同步电动机动态、稳态性能俱佳，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能要求很高的同步电动机。

内置式转子结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。如图所示为常见的径向式结构。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型2.永磁同步伺服电动机的类型

通常将电枢绕组中反电动势波形为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步伺服电动机称为方波永磁同步电动机，也叫做无刷直流电动机，而将反电动势波形和电枢电流波形为正弦波的永磁同步伺服电动机称为正弦波永磁同步电动机。这两种永磁同步伺服电动机在结构上几乎完全相同，但工作机理、电磁模型以及控制方法上均有所不同。无刷直流电动机将在下一节单独进行讨论，接下来我们先介绍正弦波永磁同步电动机。无刷直流电动机正弦波永磁同步伺服电动机知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机1.稳态分析1）稳态运行时的电磁关系对于转子表贴式正弦波永磁同步电动机，当其稳定运行于同步转速时，可得其电压平衡方程：

由电压方程可得几种典型运行状态下的相量图：4.2.3正弦波永磁同步电动机2）稳态运行性能分析（1）电磁转矩与功角特性由电压平衡方程及相量图可得

由此，电压平衡方程可改写为进一步有

最终可得电动机的输入的功率为

忽略定子电阻时，电磁功率为

电磁转矩

由电磁转矩关系式得到的电磁转矩与功率角的关系曲线，称为功角特性曲线知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2）稳态运行性能分析（2）工作特性

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制

正弦波永磁同步电动机的驱动模式主要有三种，即：电压与电动势同相的驱动模式、电压固定在一个超前角的超前角驱动模式、磁场定向驱动模式。

与以上驱动模式相匹配的驱动控制方式则有两种，即：以电压正弦波脉宽调制技术为核心的幅值控制、以电枢电流解耦控制技术为核心的矢量控制。

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换（1）三相/两相变换

三相/两相变换公式为

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换（2）矢量旋转变换矢量旋转变换变换公式为

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换

经过三相/两相变换、旋转变换这两次变换处理后获得的信号正好是直轴与交轴电流，可作为电动机运行时的实际交、直轴电流而用于反馈控制。

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制2）基于转子磁场定向的矢量控制模式

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制2）基于转子磁场定向的矢量控制模式

基于正弦波永磁同步电动机的交流伺服系统

三环串级控制结构框图知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.4无刷直流电动机1.基本工作原理

无刷直流电动机由电子开关线路中相应的功率开关器件的通断组合完成换向，故不需要电刷，它等同于一台定、转子反装的普通有刷永磁直流电动机，电枢为定子而永磁主磁极则在转子上。

无刷直流电动机基本构造

无刷直流电动机需要专用电源来驱动运行，故电动机本体与相应驱动电源构成所谓无刷直流电动机系统，一台三相两极的无刷直流电动机的系统结构框图如图所示。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机1.基本工作原理

按如图某一三相两极的无刷直流电动机模型，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管VT1、VT2、VT3相接。位置传感器与电动机转轴相连接。当定子绕组中某一相通电时，该电流与转子永磁体的磁极产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子永磁体位置变换成电信号去控制开关线路，从而使定子各相绕组以一定的次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到和机械换向器相同的换向作用。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

无刷直流电动机主电路的形式主要有：星型连接三相半控电路，如图（a），星型连接三相全控电路，如图（c），三角形连接三相全控电路，如图（e）。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

1）基于三相半控电路的控制方法设光电器件VP1被光照射，则功率晶体管VT1呈导通状态，电流流入绕组A-X，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按右侧图中的顺时针方向转动。当转子磁极转到右侧图（b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板也随着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管VT1截止、晶体管VT2导通，电流从绕组A-X断开而流入绕组B-Y，使得转子磁极朝顺时