电机与拖动第八章

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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。1工作绕组单独通电时的情况由试验可知：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

2、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

3、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+ 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

4、 情况下运行，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”。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

5、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。(二) 基本结结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中 装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种

6、结构形式 ： 1 笼笼型转转子这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但 笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜 、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性 能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯 量。 2 非磁性空心杯转转子如图7-3所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两 个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕 组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一 部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（ 如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯 形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁 转矩，使杯形转子转动起来。如图7-3所

7、示，非磁性空心杯 转子交流伺服电动机有两个定子： 外定子和内定子，外定子铁芯槽 内安放有励磁绕组绕组 和控制绕组绕组 ， 而内定子一般不放绕组，仅作磁 路的一部分；空心杯转转子位于内 外绕组绕组 之间间，通常用非磁性材 （如铜、铝或铝合金）制成， 在电机旋转磁场作用下，杯形转 子内感应产生涡流，涡流再与主 磁场作用产生电磁转矩，使杯形 转子转动起来。 由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.20.6mm，因而其 转动惯量很小，故电机快速响应性能好，而且运转平稳平 滑，无抖动现象。由于使用内外定子，气隙较大，故励磁 电流较大，体积也较大。 图7-3 非磁性空心杯转子结构图 1-空心杯转子；2-外定子；

8、3-内定子； 4-机壳；5-端盖(三)控制方式如果在交流伺服电动 机的励磁绕组 和 控制绕组 上分别加以两个幅值相等、 相位差90电角度的电压 ，那么电机的 气隙磁场是一个圆形旋转磁场。如果 改变控制电压 Uc的大小或相位，那么气 隙磁场是一个椭圆 形旋转磁场，控制 电压 Uc的大小或相位不同，气隙的椭 圆形旋转磁场的椭圆 度不同，产生的 电磁转矩也不同，从而调节电 机的转 速；因此，交流伺服电动 机的控制方 式有三种：）幅值值控制幅值控制通过改变控制电压 的大小来控制电机转速 ，, 那么控制信号的大小可表示 ccN , 称为有效信号系数，那么以cn 为基值, 控制电压 的标么值为： 2）相位

9、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

10、功率较大的优点，因而成为 使用最多的控制方式。(四) 机械特性和调节特性 1 机械特性机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系 在一个表征控制电信号的系数为一定值的条件，控制 电机转矩和转速间的关系，这个系数对于: a.幅值控制方式 e = Uc/Us = Uc/Uf (式1) b.相位控制方式 e = Ucsin/Us = Ucsin/Uc = sin （式2 ） c.幅 相控制方式 e = Uco/Us (式3） 具体机械特性见下图(四) 机械特性和调节特性 1 机械特性机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系 (1) 幅值控制方式 (2) 相位控制方式Sin称为相

11、位控制的信号系数。(3) 幅 相控制方式见187页 图7-4机械特性1 调节特性所谓调节特性，就是表示输出转矩一定的情况下，转速与控制 电信号变化的关系 调节特性就是表示在不同的输出转矩下， 电机转速随控制信号而改变的关系曲线的（见下图）图7-5 调节特性a 幅值控制 b 相位控制 c 幅 相控制二、 直流伺服电动电动 机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结 构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流 伺服电动机输出功率较小而已。当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流 时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电 时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加 到励磁绕组上，也

12、可加到电枢绕组上： a) 若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号 的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方 式叫电枢控制； b) 若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式 叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节持性在 某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信 号），使用的场合很少。1.电枢控制时直流伺服电动机的特性 控制线路见图7-6 机械特性表达式 Tem = CTFUc/ra - CeCTF2n/ra 或T = Tem/TemB = - n/nB = - V 从上式可看出，直流伺服电动机的机械特性是线性的见下图 图7-6 电枢控制线路图 图7-7 电枢控制时的机械特性第

13、二节 测速发电机 测速发电机是一种检测元件，主要用途有 1.产生加速或减速的信号 2.在计算装置中作计算元件 3.对旋转机械作恒速控制 对测速发电机的要求: 1.输出电压与转速成严格的线性关系; 2.输出电动势斜率要大.测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机 械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与 转速成正比：U2=Cn测速发电机分直流和交流两大类。交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测 速发电机。 1. 交流异步测速发电机 （1）结构及工作原理 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构 相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的， 在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速 发

14、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。 就信号转换而言，交流侧其输出绕组中所感应产生的电动势 E 与转速 n 成正比E = 4.44f1N2KCFdn/2 = Cn 这样，异步测速发电机将转速信号变成电压信号，实现测速的目的2.主要误差 （1） 线性误差转子杯回路中除变压器电动势Er2外，又出现旋转电动势 End，引起 Ir2 及 I1 的变化，使 U2 Cn 遭到破坏，从而 造成线性误差 （2） 相位误差输出电压与励磁电压之间的相位误差是励磁绕组以及杯形 转子内的漏阻抗压降引起的所谓相位误差是指在规定的转速范围内

15、输出电压与励磁 电压之间的相位的变化量 （3） 剩余误差交流异步测速发电机加上励磁电压以后，虽转子停止， 往往还会有输出电压，使控制系统的准确度大为降低.其原因 一是制作工艺不良，二是导磁材料不均匀以及非线性所致二.直流测速发电机 1.结构和工作原理直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，磁极由永 久磁铁制成，励磁方式采用他励式 直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同(见下图）感应电动势的公式为 Eo pZFon/60a = CeFon （1 ） p 极对数 Z 电枢绕组总导体数 a 电枢绕组的并联支路对数 在有负载时，输出电压为 U = Eo - IRa = Eo - URa/RL

16、（2） 把式 2 代入式 3 可得 U = CdFon/(1 + Ra/RL) 2.误差直流测速发电机在无信号输入时，直流测速发电机中不 会出现剩余电压，又无相位误差，而线性误差还是存在的， 即输出特性不是严格的曲线关系，造成这种非线性误差的原 因主要有以下三个方面： （1）电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反 应的去磁作用使气隙磁通0减小，输出特性斜率 减小越明 显，输出特性直线变为 曲线。（2）温度的影响 如果直流测速发电机长期使用，其 励磁绕组会发热，其绕组阻值随温 度的升高而增大，励磁电流因此而 减小，从而引起气隙磁通 减小，输 出电压减小，特性斜率 减小。 （3）接触电阻电枢电路总电阻包括电刷与换向器的