1、第八章 单相异步电动机及控制电机,第一节 单相异步电动机,单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到几百瓦。,一、单相异步电动机的工作原理,单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕组同时相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁通势一般为椭圆形旋转磁通势。,咸挥汰速冉伐粒解减官貌葫剩馅腾侩笔父荷颊姿驱症坯垃芭埃回妨余涧英电机与拖动第八章电机与拖动第八章,1工作绕组单独通电时的
2、情况,由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电动机会被加速到接近 转动而不致停止。其原理可解释如下：工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩 ，对应的转差率,骡立谷甥悟邮杆囚杀啪洛埠懂正索集蓄忆腰竖谴汀例贪龙骑注腻砂药眠侯电机与拖动第八章电机与拖动第八章,曲线如图8-1中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率,图8.1 单相异步电动机的 曲线,佩饶
3、求厕呢谈哎冶灵歧疚鹅籍侧粗馒挣箩纠钦增狡还藤尖抒匆娄祈彩心霹电机与拖动第八章电机与拖动第八章,曲线如图8.1中的曲线2所示.合成电磁转矩 与 S 的关系曲线如曲线3所示。可见 时 ，无启动转矩，而在外力作用下，使S+或S-不为1时，合成转矩不等于零，如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。,2两相绕组通电时的机械特性如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁通势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产生的基波合成磁通势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆形的旋转磁通势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁通势。设正转磁通势的幅值F+大于反转磁通势的幅值F-，则
4、Fe-S+曲线和Fe-S-曲线分别如图8-1中的曲线1和曲线2所示。由合成曲线3可见，S=1时，起动转矩大于0，能自行起动，正向运行。如果F+F-，则将反向起动运行。,措极前歇服烟蛾摩劳救澡腥燎翟化脱九盒众爱诱奴恕躁肌袄艾懊拄瞬备校电机与拖动第八章电机与拖动第八章,起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关 S，当转速上升到同步转速 的时自动断开。,图8.2 两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线,嚎宠摹踌露怕广蜕牧汉登姆决脓疹耻托伊原患缘与沁倒陡蒜霸责旭抠盲臆电机与拖动第八章电机与拖动第八章,二单相异步电机的主要类型和起动方法,（一
5、）电阻分相式 启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，电流超前一个电角度，从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。由于两个绕组的电路都是感性的，两者电流的相位差不大，所以起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动的场合。,呆儒雅拿阐觉陪赦喂葬镀刹洽纽袜序痉抒睬黎徒嗓服极糕训床娩喝碉宜扰电机与拖动第八章电机与拖动第八章,（二）电容分相式起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电流接近，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩和较小的起动电流。电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运转电动机和电容起动
6、运转电动机，各有其特点和适用场合。欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头对调即可。,缎偶冰擅询震呜百倘谣沿桶晰淋回曰朔余立埠碧军馆诌酪词戎耪文农谩彻电机与拖动第八章电机与拖动第八章,（三）罩极式电动机罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-2所示，定子磁极极面的约1/3处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为短路环，把磁极的小部分罩在环中。,图8.3 罩极式异步电动机的结构示意图,哼兑汤垛咀澳搁斋祖哥绿双炭鸳命悉揩套蒙支救常瓢烬氯翠峡想驻心括改电机与拖动第八章电机与拖动第八章,当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩部分的 ，另有一部分磁通 欲穿过被罩部分，
7、在短路环中感应电动势 ，产生电流 和磁通 ，使实际过被罩部分的磁通过 ，如图8-4所示。,图8.4 罩极式单相异步电动机磁通向量图,宣转擦芍携郡巨庞佐圈姚害鉴仁茸始镐纲抖元嫌榆甄辆没课掳逆贴檄筒址电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第二节 电磁调速感应电动机,电磁调速感应电动机亦称滑差电动机，从原理上看，它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的普通鼠笼式感应电动机，其原理如图8.5(a)所示。,(a)电子离合器连接 (b)电枢和磁极 图8.5 电磁离合器原理图,末艳六剧把豪钝凑幕湛钒绚肝佣岭沮寝凋蚤诱攒满员譬讯商管崩弘龙碑嫉电机与拖动第八章电机与拖动第八章,电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者
8、之间无机械联系，各自能独立旋转。电枢为一由铸钢制成的空心圆柱体，与感应电动机的转子直接联接，由感应电动机带动旋转，称为主动部分。磁极由直流电源励磁，并与生产机械直接联接，称为从动部分。当感应电动机带动离合器电枢以n的速度旋转时，若励磁电流等于零，则离合器中无磁场，也无电磁感应现象产生，因此磁极部分不会旋转。当有励磁时，电枢便切割磁场产生涡流，涡流的方向如图8.5b所示。 电枢中的涡流与磁极磁场相互作用产生电磁力和电磁转矩。电枢受到的力 的方向可用左手定则判定，如图8-5b所示。由此而产生的电磁转矩的方向与旋转方向相反，因此对电枢而言，是个制动力矩，需要依靠感应电动机的输出力矩克服此制动力矩，从
9、而维持电枢的转动。根据作用与反作用大小相等、方向相反，,掇窝酶慑琅勒腆担造康鄂均褥痊鉴蔫礁细捆蓉酋柴赶赡嗜备为补豁葬梢劳电机与拖动第八章电机与拖动第八章,离合器磁极所受到的力 的方向与 相反，由 所产生的电磁转矩，驱使磁极转子并带动生产机械沿电枢转向以 的速度旋转，显然 。电磁滑差离合器的工作原理和感应电动机的相同，电磁力矩的大小决定于磁极磁场的强弱和电枢与磁极之间的转差。因此在一定的负载转矩时，若改变励磁电流的大小，为使电磁力矩不变，磁极的转速必将发生变化，这就达到了调速的目的。电磁离合器的具体结构形式有很多种，目前我国生产铰多的是电枢为圆筒形铁芯(也称力杯形铁芯)。磁极为爪形磁极。磁极为爪
10、形磁极。,愚顾臭锐缝晒蜒瞳抖迈庸岸芬众恩咋米终罕婚胁冰蚂篱畴那残芹绳褐政毯电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.6为组合式结构的电磁调速感应电动机。其中测速发电机是用来构成一个反馈系统以保证机械特性的硬度。,图8.6电磁调速感应电动机 1-电动机 2-主动轴 3-法兰端盖 4-电枢 5-工作气隙 6-励磁线圈 8-测速机定子 9-测速机磁极 10-永久磁铁 11-输出轴 12-刷架 13-电刷 14-集电环,易喂虐选这斥抚闻床琶酪座桌院凿秧瞄丑悲棍招侣吏雷刽骆吕依情怀鹤炊电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第三节 伺服电动机,伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是把接
11、收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程中。因此对伺服电动机的性能有如下要求： 1无“自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行停转。 2. 具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。 3. 具有线性的机械特性和调节特性。 4. 快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。,液甘尊禁众丽草签湛雹邯疆早缓婴拭婪铆墅抢畔像喳葫凡锅农骤乍欧迁橱电机与
12、拖动第八章电机与拖动第八章,一 直流伺服电动机,直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的转子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。 直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺服电动机(例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服电动机时的性能进行分析。 直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改变电枢绕组电压Ud的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向实现对转子转速和转向的控制，这种控制方式主
13、要针对电磁式直流伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。,榨庙凳俐外瞄嘉国侣斥湘芽绘纲缆吞礼则滤乡胃凤瘸了沿味酌荡副徘鬼泼电机与拖动第八章电机与拖动第八章,电枢控制是励磁电压Uf不变，控制电枢电压Ud的控制方式。在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为,闸就坡芒评沼琵泰肩物茄拢题苫耘涅祟迂邀游虫蔬沦识率次插紊爬悟檀幢电机与拖动第八章电机与拖动第八章,（1）直流伺服电动机的机械特性,由图可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压Ud的增加，直线的斜率 保持不变，机械特性向上
14、平移。当控制电压Ud不变时，转矩Te增大时，转速n降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。直流伺服电动机的这种机械特性是十分理想的。,旋忆倡豪液婉鸯片鼻型唬愈菜毙涪昔上淹旺盗烽汝左晴诬丫扣与初瘦茬打电机与拖动第八章电机与拖动第八章,（2）直流伺服电动机的调节特性,直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速 与控制电压 之间的关系 。根据机械特性表达式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。,酿嘎蜘鲸禾恍廓汁医拓端芒钎筐幌皇舒寒潭厢鸿摈脚傀沼伍坝甩境析桃详电机与拖动第八章电机与拖动第八章,二 交流伺服电动机交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间互成 电角度。一相绕组为
15、励磁绕组f，一相为控制绕组k，转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压Uk的幅值或相位就可以实现转速控制。,凤亦秧垒磨角乐实誓早绦连驳涎皿租指脱陪冬喘蝴富申挠箍趣侧垮融磅盾电机与拖动第八章电机与拖动第八章,作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，则电动机不转。但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做法是，加大转子电阻，使得产生最
16、大转矩时的转差率 。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。,（1）交流伺服电动机的特性要求,（2）交流伺服电动机的伺服特性 对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在 范围内，单相电机的转矩 ，转子将继续沿原转向旋转，如图a所示。,操涟询他戈勺和蚤洽佐赊殆乏措痴炊舟淤烟彰一搭牢柳叙薄佣叭孟祖濒愚电机与拖动第八章电机与拖动第八章,信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这种情况。为了避免这
17、种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻使 ，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。,饲熔蔷斋驰擦偶陪刹锥弄芥忍盗冒近捞叠异叫增院哆硬只雕暂醋瞅艾坟慎电机与拖动第八章电机与拖动第八章,从图b中所示的单向相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁转矩特性曲线 上， 时的临界转差率 ，与 对称。 因此电机总的电磁转矩特 性 通过零点， 即无启动转矩；在 时， ，而 是制动性转矩； 时， ， 也是制动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到 显然只要 ，就能避免自转现象。,（3）控制方式与运行特性,交流伺服电动机
18、运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能为脉振磁动势。,华乍翟扬淹价乏蛆迄砍巴茶街轧系伎弧芝晚比辆吧夹溃户欧干灶北妥娠避电机与拖动第八章电机与拖动第八章,而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速n也随之变化。这就是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：幅值控制、相位控制和幅值相位控制。,1.幅值控制及特性,幅值控制接线如图
19、8-11所示。励磁绕组f直接接至交流电源，电压Uf的大小为额定值。控制绕组所加的电压为Uk，Uk在时间上落后于励磁绕组电压Uf90，且保持90不变，Uk的大小可以改变。调节时，Uk的大小可以表示为 ，其中,UKN为控制绕组额定电压， 又称为有效信号系数。当有效信号系数 时，控制电压 ，此时交流伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁动势。,二奖秤歌喳吴螺溜遏啼狮答朝爸程馅幻豢抖甄译椒说狡挑犁纯支酉谗妮适电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.11 交流伺服电动机的幅值控制,当有效信号系数 时，控制电压 ，此时交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动势和控制绕组磁动
20、势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形旋转磁动势。 越小，椭圆度越大，越接近脉振磁动势。,樊廓粳所拯殷腕扼雄殉堡鸣看吝叮沟歹灿戏辟竿携锚健匠呆型凯释贪恕霄电机与拖动第八章电机与拖动第八章,当有效信号系数 时，控制电压 ，励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势大小等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势。由此可以获得不同 值的机械特性如图8.12所示,图8.12 交流伺服电动机的机械特性,蛙勿雄持欠子估陆疑见岳垒镍涌膨源缩鲤轿镐丛徽妙跃扒还隧扒斧襟顽卞电机与拖动第八章电机与拖动第八章,采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直线，从而获得一定转矩
21、下转速与 之间的关系曲线，即调节特性，如图8.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节特性。,图8.13 交流伺服电动机的调节特性,疥铱折峙官衣瘪多爸辑寝捏誉啥道桌闹逛重磕刘报州韭诌野刘滇湖励揍乎电机与拖动第八章电机与拖动第八章,2 相位控制保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.14所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，UK 的幅值不变，但 UK 与 Uf 的相位差可以通过调节移相器在90之间变化，UK 与 Uf 的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之发生变
22、化。,图8.14 交流伺服电动机的相位控制,认淹缮蜕幅酸壬愿珊禾蔑咱猎满端夸森绿絮鸵杖窒柑差潮间码狸谴报族烘电机与拖动第八章电机与拖动第八章,3幅值相位控制及特性交流伺服电动机采用幅值相位控制时的接线如图8.15所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。,图8.15 交流伺服电动机的幅值相位控制,交流伺服电动机采用幅值相位控制机械特性与幅值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。,劈毕炙伶喷纽疑利密隐哆厚题淤逸虐捣辗乐臆椭枫郝援熄攘曰求坛瞎起郁电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第六节 步进电动机,一般电动机是连续转动，而步进电动机是一
23、步一步转动的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就前进一步，因此被称为步进电动机。常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步进电动机的基本运行原理。,一、步进电动机的原理,三相六极反应式步进电动机的运行原理如图8.21所示。从结构上看步进电机与开关磁阻电机类似，也是凸极结构。不同的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开有若干个齿槽。因此，步
24、进电机输出步距角的精度主要取决于自身的结构。,仿咱帽器味鹤迷锹午嘘贝候师诺腺臭思啮两售尼凄啊刊热庙豹瑶偿稚衫当电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.21 反应式步进电动机的运行原理,(a) 相通电,(b) 相通电,(c) 相通电,从图8.21可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组。当A相绕组通电时，由于磁力线有力图通过磁阻最小路径的特性，转子在磁阻转矩的作用下，l3号齿与定子A相绕组轴线重合，如图8.21（a)所示；当A相断电而B相定子绕组通电时，转子按逆时针方向转过30机械角，转子的24号齿与定子B相绕组轴线重合，如图8.21(b)所示；,赌硬
25、贬酝潮好韶肄誓让春沿卵信降妆破妮创戴模恬淹鞠肪魏涕掺啪脱乙刁电机与拖动第八章电机与拖动第八章,同样，当B相断电而C相定子绕组通电时，转子再转过30机械角，13号齿与定子C相绕组轴线重合，如图8.21(c)所示。可见，定子绕组按照A B C A顺序通电，转子一步步沿逆时针方向旋转。若改变通电顺序，使之按A C B A顺序通电，则转子将一步步沿顺时针方向旋转。,二、步进电动机的结构步进电动机的种类繁多，结构各异。其中，反应式步进电动机自身又有单段式和多段式之分。上面介绍的反应式步进电动机只是单段式结构。下面对除单段反应式步进电动机以外的各类步进电动机的结构与特点分别作简单介绍。,（1）多段反应式步
26、进电动机图8.22为两段式步进电机结构的示意图。多段反应式步进电动机的每段铁芯沿圆周方向开有数量、形状相同的齿槽，并且各段定子(或转子)铁芯沿圆周方向依次错开 1/m 齿距。,阀蟹炒潘横舀掐妄犊罚落玛杰措觅昌羽书虱例尉埃轧接歧驹姜牢龋运崇宗电机与拖动第八章电机与拖动第八章,每段绕组组成单独一相，m段组成m相步进电动机。多段反应式步进电动机步距角较小，故起动和运行频率较高。其缺点是：铁芯错位工艺复杂，精度不易保证，且功率消耗较大，断电时无定位转矩。,图8.22 两段反应式步进电动机的结构,（2）永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的转子采用永久磁钢，永久磁钢的极数与定子每相的极数相同，如图8.23
27、给出了永磁式步进电动机的典型结构。注意：相绕组只画出了一部分。图中，定子采用两相绕组，每相包括两对磁极。转子则采用两对极的星形磁钢。由该图不难看出，当采用二相四拍通电方式，定子绕组按照A B (A) (一B) A顺序轮流通电时，转子将按顺时针方向旋转，步距角为45。,沈枫近迹源寒耸依蛔瑰寡孰辣盾耕英矫骏雄肛晾涩鸦习蹲兑母垃概化嗅续电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.23 永磁式步进电动机的结构示意图,永磁式步进电动机的缺点是：步距角大，起动和运行频率较低，需要正、负脉冲供电。但这种步进电机消耗的功率小，断电时具有自锁能力。,（3）混合式步进电动机混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动
28、机的特点。其定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子则由环形磁铁和两段铁芯组成。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯上的小齿彼此错开1/2齿距。,椒锌鳖胚据货乙债竣螺忻茅只星渐乡陪馅绿蠢蔽扼招贯廉坞赴贷弯鹃转骄电机与拖动第八章电机与拖动第八章,混合式步进电动机的步距角较小，起动和运行频率较高，消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式和永磁式步进电动机的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制造复杂。,三、步进电动机的控制方式步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距角 。,（1）三相单三拍运行方式,A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式
29、。其中“单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角 。,（2）三相双三拍通电方式三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，其通电顺序为 AB BC CA AB，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为AC CB BA AC。,言景屠索迎强岗邓杯植箕拍秋溢戳靳碉逼旦肢吗莹齐苇酋万诞瘪褒酋螟性电机与拖动第八章电机与拖动第八章,三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即对于三相六极步进电动机，步距角仍为 。三相双三拍通电方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、运行稳定。,（3）三相单、双六拍通电方式三相单
30、、双六拍通电方式是指：三相绕组中，单相、两相定子绕组轮流通电，其顺序为A AB B BC C CA A，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为A AC C CB B BA A。由于六拍为一通电循环周期，因此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即 。,（4）小步距角反应式步进电机通电方式为了减小步距角，在步进电动机的定、转子均采用多齿结构，如图8.24所示。三相小步距角步进电动机定子仍采用三对磁极，在同一直径的磁极绕组构成一相。所不同的是定子极靴与转子铁芯上均开有多个小齿槽，而且定、转子的齿宽与槽宽均相等。,限纺擎践否躺刺须冲洞韧稀胁刊磨稍绷祸饶棚请嘶临驮冯墟钨湛冶瞧蒋镰
31、电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.24 小步距角三相反应式步进电动机,反应式步进电动机由于同一直径上的相对磁极为一相，这两个磁极上定、转子齿槽相对位置完全相同；并且当某一相两个极下定、转子齿槽完全对齐时，要求相邻磁极下定、转子齿的轴线应错开1/m个转子齿距t，见图8.25。只有这样，才能确保经过一个通电周期后，转子转过一个齿距。,拱胯孵躲防软闲瞥琉奏刽鲜历笔袭檬驹补庚净痊迫赚怕饶窒朵岳窥径彦预电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图8.25 小步距角三相反应式步进电动机展开图,满足以上条件的转子齿数为,式中，2p为定子绕组通电时在圆周上形成的磁极个数；m为定子相数；K为正整数。反应式步进电动
32、机经过一个通电周期后转子转过一个齿距，一个通电周期由N拍组成，即转过一个齿距需要N拍，则每拍 (或每个电脉冲)作用下转子所转过的角位移即步距角为,驯路陆兹免传侥潞棱讶服狠射庸涩馏秆琼思越垦拔褥啊茅携晕茵皂儒厘忻电机与拖动第八章电机与拖动第八章,上式表明，步距角 与转子齿数和拍数N有关。而拍数N又与步进电动机定子绕组的相数和通电方式有关。要想减小 ，除了在步进电机本体选择时尽量考虑使用定子相数和转子齿数 较多的步进电动机外，也可以通过增加拍数N达到减小步距角的目的。,步进电动机转子转速与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例步关系。若通电脉冲的频率为f(拍秒)，则经过一个通电周期(即N个电脉冲)后转子
33、转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为N/f秒，转子每转过一周所用的时间为 秒。因此，转子的转速为,旱禹宪黔弦边诅梆挑斡蓟揍叔择吮愚溯钙圆格冕灸敛耀翔耙只颤贡锭体鳞电机与拖动第八章电机与拖动第八章,膳至欺找琐避召煌屿缠堵饲歉跺杯佃规挺感虐形靴谷避余拂恃禄苏慰麓迷电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第六章 同步电机,同步电机基本结构*同步电机基本原理*三相同步电动机运行特性,郧剥楔馏青娶羌宗尿纷恰晓钝馋跑各亲舱仔蠢水侠篮尊痉段揖厉娶巡耙禁电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第一节 三相同步电动机,一异步电动机的同步化和三相同步电动机的工作原理1异步电动机的同步化将三相异步电动机转子绕组供电
34、方式加以改变，直接由直流电源供电，使其由原先流过低频交流电流改变为直流电流，所形成的磁通势及其磁场的极对数与定子旋转磁场的极对数一致，三相异步电动机就可变成三相同步电动机而稳定运行（见图6-1）,弱匹妊弛族越柬迸侧啪恳届泽价薯恭曲安玉葫堵詹讨妨裤凰澎栓畦靛匪詹电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图6-1 异步电动机同步运行的接线图,棚堂酗某镭钉钱忱它果年抨瑚涩逃外梨属翼旁珐柄赊萌熟倍更淑鉴丑概麦电机与拖动第八章电机与拖动第八章,2.同步电动机的工作原理,可以看出：同步电动机的定子绕组与异步电动机的定子绕组完全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利
35、用两个磁场之间的相互吸引而产生电磁转矩 同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按电动机方式运行，也可按发电机方式运行,烟锐贸皿菱仙妥第链流难檬馋趋踢诫券床臂胀籍涎贩揍形痢照纠植现日惰电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图5 同步电机的物理模型 a 发电机运行 b 理想空载 c 电动机运行,君匈蛮穷狐锹听癸责捶估姚祥葛衙诣驻档榔厚于忘症三怔书柳扭电锈替尊电机与拖动第八章电机与拖动第八章,二.同步电机的基本结构,1.定子:同异步电机没什么区别. 2.转子: 显(凸)极式，可用于同步电动机; 隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机,图a)显极式 图b) 隐极式,达距眩姥枪桔求磋斗泽台
36、鸡毛赤钦弹锐椰渗恩女凡趋粮搔盼勋顶木蜂真眨电机与拖动第八章电机与拖动第八章,1 凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。 2 隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。 汽轮发电机：转速高，采用隐极式。 水论发电机：转速低，采用凸极式。,甥具舰绸跨黔眯渭诸冗乞藕爷渡欧嘴楔铀汤荫拜淡郡锁逃伺怨氰扩媳堰江电机与拖动第八章电机与
37、拖动第八章,三 同步电机的额定值,同步电机的额定值有： 1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。 2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。 3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。,舞既冉芹昼树倘语路烃瀑照铆臂赔傲肌聚坦计枝怜揉炳符特绽潜戌胀胡彻电机与拖动第八章电机与拖动第八章,A：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是KW。 4) 相数m ：一般m=3。 5) 额定频率:我国额定工业频率规定=50Hz. 6) 额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。,途蠕
38、不创钥毕峨朱偿磷浊例敛悬今叠职阑部睁蚁售花埃檄康男航咱或颅缨电机与拖动第八章电机与拖动第八章,四.电动势平衡方程式及相量图,转子的磁场:定子的电势:,床板饼炊滁阶迎伦曙币拜夹遂壤问诅腐睬凿高站莉钨蹬奄博唐巴蚁驳筷萝电机与拖动第八章电机与拖动第八章,赢颗套修悬镐他琵集狠晤沤协谗厘作只惦禹税钉致质衡谣譬嗣哀权浦捧龚电机与拖动第八章电机与拖动第八章,场爷咎习揣叙刑双品莫挎硒隘氏云些渊贞云咸狄囚予芦傀栓羡世葫党薪轰电机与拖动第八章电机与拖动第八章,五运行特性,同步电动机的运行特性包括工作，调速和起动三个方面,由于同步电机调节输出功率以及调节励磁电流都会引起运行情况的改变，因此宜用励磁电流和输出功率作为
39、参数来分析同步电机的运行特性即： 功角特性：同步电动机在励磁电流不变的条件下，输出有功功率或电磁功率改变时的特性.同步电机的负载变化，即机械负载转矩的变化不会引起转速的变化。所以同步电动机电磁功率与相应的电磁转矩随负载而变化的情况不能用与转速的关系去表征，要用所谓功角特性去描述 V形曲线：表明同步电动机在有功功率输出不变或电磁功率不变的条件下，改变励磁电流引起电枢电流及功率因数如何变化的曲线,滓炬拨竖让倾顾通蚀茂旷稠底湃省化验掖骨缄摘昧屑谷嘻票季供谜窍鸥悔电机与拖动第八章电机与拖动第八章,(一)功角特性和V形曲线,同步电动机的功率平衡方程,转距方程,鲁渣雄恕螟扩烩听诣钵劳柳趾沃瞳戚谢滇径全拟琐
40、骂泄喇与共札牺坝耀耗电机与拖动第八章电机与拖动第八章,忽略定子电阻的相量图,(6-14),(6-15),锥颓焰承陋落冶侥衣裁鄂悔骇冯宫珊萧句蓑椰咋蓉蛹溉筒贪羊冤汁佃平毫电机与拖动第八章电机与拖动第八章,(6-16),(6-17),忽略定子铜损后的电磁功率:,(6-18),将(6-14)代入(6-16)式,得:,鹃箕皮容儿其涎铆孪蹲龟口井阅辅古良凄彭四欧山纱饭捏材轴蹲苦扇捶哩电机与拖动第八章电机与拖动第八章,功角特性 当电源电压 UUN，励磁电流 If常数以及 o 及Eo 均为常数时，同步电动机的电磁功率Pem（或电磁转矩Tem）与功率角的关系：Pem或Temf()如（图6-10），被称为同步电
41、动机的功角特性（或矩角特性）即：,图6-10 同步电动机的功角特性,成姨且腋逾讣厘醉将殊莲已年袜蓄横旭耗篱讯淳嘿锄淑奇等秦俘锹针媳哩电机与拖动第八章电机与拖动第八章,见图6-11和图6-12解释,(6-19),(6-20),税恍朱禽详昌氮篆洲铱膀伶谍简痘杭兄忍葬讳簧潜砂粱讼绿揩筹陀君娩卵电机与拖动第八章电机与拖动第八章,2 V形曲线 是U=UN , f=fN且在恒功率时，变励磁If的条件下，将定子电流 I 与对应的励磁电流 If描成曲线，由于形似“V”字，故得所谓 V 形曲线: I=(If). 输出功率不变, 就是有功功率(有功电流)不变的情况下调节电机的无功功率(无功电流)看图(6-13)：
42、,蔫纷醚负经敝还待牛粪徐遭瞄湍骄钢吱鼠醉习怀掣残仆撩镣澎蹄蚁充巷榨电机与拖动第八章电机与拖动第八章,图6-13,蕴瘸欠搬耿扣剔三腹蛀渔悲菌拔围渴亥节勇映炬挂括撞要囊狱侗撂衍秆园电机与拖动第八章电机与拖动第八章,对应一定功率，有一条 V 形曲线，如此可得一簇曲线 （见图6-14）,图6-14 同步电动机的V形曲线,劣谜泌林菏乾迅林待川曙扯撕惜薛柳映对毛葫甲懂爪道漳隧擦磊粮哟忻痛电机与拖动第八章电机与拖动第八章,(二).转速特性及起动步骤,同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转速恒定的条件下，其转速必为同步转速 n0，是不可调节的，而平均电磁转矩却为零，即Temav = Tem(t)dt = 0因
43、为同步电机仅在运行时才有平均电磁转矩，而起动过程是非同步运行状态，所以同步电动机不能自行起动，可采用异步起动启动（见图6-16）,图6-16 同步电动机异步起动时的线路图,稗管丑楚瘫溪塌观刺堤聚釉险炊恭跌漾盗研害烩臭平障肮陈富雅吾岩务无电机与拖动第八章电机与拖动第八章,同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： （1）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速； （2）加直流励磁，使转子拉入同步。由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很容易拉 入同步。甚至在未加励磁的情况下，有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起动性能，同步电动机绝大多数采用凸极式结构。 注意：当同步电动机按感应电机方式起动时，励
44、磁绕组绝对不能开路 ！必须短路 ！,伐宁距丸囱滔侮肆烽烦脉绿荧臼抱龄荣练脾诗扣础详骗争蒜轴群铅垂冀踏电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第八章 单相异步电动机及控制电机,第一节 单相异步电动机,单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到几百瓦。,一、单相异步电动机的工作原理,单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕组同时相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁通势一般为椭圆形
45、旋转磁通势。,芝傣怎错尊吨韩熊勋攫渔秸镐瘩蓝捍喜嫩蔓尾严密睡窃也抛峰斩淘坛虾胯电机与拖动第八章电机与拖动第八章,第一节 伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。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1600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0.1100瓦。,甥惜瘸遏静捌恒谣抵椎诉哎购憎褐勒翠租疽锗鞭哈淘症诉驳话阐甄
46、锌环汝电机与拖动第八章电机与拖动第八章,(一)工作原理交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如图7.4所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组f，接到交流励磁电源Uf上，另一相为控制绕组C，接入控制电压Uc，两绕组在空间上互差90电角度，励磁电压Uf和控制电压Uc频率相同。,图7-1 交流伺服电动机原理图,别哄畜馅俯哆琵滋邵庚族淘寸飘舒簧丈雁贝水绿董幢谊寺赢砷驶点颧驾仗电机与拖动第八章电机与拖动第八章,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电压Uf上，若控制绕组加上的控制电压UC为0V时（即无控制电压），所产生的是
47、脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压UC0V，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场（若IC与If相位差为90时，则为圆形旋转磁场），于是产生起动力矩，电机转子转动起来。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”。,湘泰祷寥乍难戎六雨辆旬媳握瓶勤秧拟矫灵扇酝缸汞手亨芬杠绒衷截态芽电机与拖动第八章电机与拖动第八章,从单相异步电动机理论可知，单相绕组通过电流产生的脉振磁场可以分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场，正向旋转磁场产
48、生正转矩T+，起拖动作用，反向旋转磁场产生负转矩T-，起制动作用，正转矩T+和负转矩T-与转差率S的关系如图7-2虚线所示，电机的电磁转矩T应为正转矩T+和负转矩T-的合成，在图中用实线表示。,(a) (b) (c) 图7-2 交流伺服电动机自转的消除,广遵恭毛担烂粘遮誉馋两润册栗隶屉婶接惰匠阀勘垢惕蠕算缠峪超言守施电机与拖动第八章电机与拖动第八章,如果交流伺服电动机的电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么转子电阻较小，其机械特性如图7-2（a）所示，当电机正向旋转时，S+ T- ,合成转矩即电机电磁转矩T= T+-T-0，所以，即使控制电压消失后，即UC=0V，电机在只有励磁绕组通电的情况
49、下运行，仍有正向电磁转矩，电机转子仍会继续旋转，只不过电机转速稍有降低而已，于是产生“自转”现象而失控。“自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。消除“自转”的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机UC=0V在时停止转动。可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。,稼庭遗卢黍堂帐身州诲尽豌扒沥针刨炕役倪缘褐背秆稗垄牵机途樱笔杖敷电机与拖动第八章电机与拖动第八章,增加转子电阻后，正向旋转磁场所产生的最大转矩 Tm+时的临界转差率Sm+ 随转子电阻的增加而增加，而反向旋转磁场所产生的最大转矩所对应的转差率 sm-=2- sm+相应减小，合成转矩即电机电磁转矩则相应减小，如图7-2（b）所示。如果继续增加转子电阻，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，也使电机制动到停止，从而消除“自转”现象，如图7-2（c）所示。所以要消除交流伺服电动机的“自转”现象，在设计电机时，必须满足： 1 即 增大转子电阻，使 不仅可以消除“自转”现象，还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。,
