第1章電機與拖動基礎(chǔ)

機電傳動控制 電控技術(shù)就是電氣傳動控制技術(shù)、現(xiàn)在也叫機電傳動控制。它的主要內(nèi)容就是研究各類電動機及其控制。 本電子教案將主要介紹電機與拖動基礎(chǔ)知識；機電傳動控制中最常用繼電器-接觸器控制、PLC控制、步進電機控制、交直流調(diào)速控制、伺服驅(qū)動控制等授課內(nèi)容。第1章電機及拖動基礎(chǔ)

1.1交流異步電動機

1.2直流電動機的工作原理和運行特性

1.3伺服控制電動機的工作原理和運行特性

1.4力矩電動機

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1.5微型同步電動機1.1交流異步電動機

交流異步電動機按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式分為籠型異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機?；\型異步電動機因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、轉(zhuǎn)子慣量小、運行可靠等優(yōu)點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了極其廣泛的應(yīng)用。繞線式異步電動機因其轉(zhuǎn)子采用繞線方式，具有調(diào)速簡單、成本低的優(yōu)點，在吊車、卷揚機等中小設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.異步電動機的工作原理： 圖1-1是一臺三相異步電動機，它主要由定子、轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙。定子是靜止不動的部分，由定子鐵心、定子繞組和機座組成。轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。圖1-1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)圖1-軸承蓋；2-端蓋；3-接線盒；4-散熱筋；

5-定子鐵心；6-定子繞組；7-轉(zhuǎn)軸；

8-轉(zhuǎn)子；9-風(fēng)扇；10-罩殼；11-軸承；12機座籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組大不相同，它是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條。再將全部銅條焊接在兩個端銅環(huán)上，如果將轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀象個籠子，如圖1-2所示，因此叫籠型轉(zhuǎn)子。對于中小功率，多采用鋁離心澆鑄而成。繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽里，轉(zhuǎn)子可以通過電刷和集電環(huán)外串電阻以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位的方式進行調(diào)速，如圖1-3所示。

圖1-2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)圖a）籠型繞組；b）轉(zhuǎn)子外形圖1-3繞線式異步電動機定轉(zhuǎn)子繞組及外加電阻的接線方式2.

異步電動機的簡單工作原理：

如圖1-4所示。當(dāng)定子接三相電源后，電動機內(nèi)便形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。若轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子籠型導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場有相對運動，導(dǎo)條中有感應(yīng)電動勢e，方向由右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條彼此在端部短路，于是導(dǎo)條中有電流，不考慮電動勢與電流的相位差時。電流方向同電動勢方向。轉(zhuǎn)子受力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T，即為電磁轉(zhuǎn)矩，方向與旋轉(zhuǎn)磁場同方向，轉(zhuǎn)子便在該方向上旋轉(zhuǎn)起來。圖1-4異步電動機的工作原理

3.異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)： 銘牌是電動機的身份證，認識和了解電動機銘牌中有關(guān)技術(shù)參數(shù)的作用和意義，可以幫助我們正確地選擇、使用和維護它。圖1-5是我國使用最多的Y系列三相感應(yīng)電動機銘牌的—個實例。圖1-5Y系列三相感應(yīng)電動機銘牌

圖1-6異步電動機型號額定功率PN指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率，單位為kW；額定電壓UN指額定運行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓．單位為V；額定電流IN指電動機在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時的線電流，單位為A；額定頻率fN我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率是50Hz，國外有些國家采用60Hz。額定轉(zhuǎn)速nN指電動機定子加額定頻率的額定電壓，且軸端輸出額定功率時電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r／min?？梢愿鶕?jù)額定轉(zhuǎn)速與額定頻率計算出電動機的極數(shù)P和額定轉(zhuǎn)差率SN。

噪聲值(LW)指電動機在運行時的最大噪聲。一般電動機功率越大，磁極數(shù)越少，額定轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大。工作制式指電動機允許工作的方式，共有S1～S10十種工作制。絕緣等級絕緣等級與電動機內(nèi)部的絕緣材料有關(guān)。它與電動機允許工作的最高溫度有關(guān)，共分A、E、D、F、H五種等級。連接方法有如圖1-7所示的Y/△兩種方式。請注意有些電動機只能固定一種接法，有些電動機可以兩種切換工作。但是要注意工作電壓，防止錯誤接線燒壞電動機。高壓大、中型容量的異步電動機定子繞組常采用丫接線，只合三根引出線。對中、小容量低壓異步電動機.圖1-7三相異步電動機的引出線

a)出線端的排列b)丫連接c)△連接通常把定于三相繞組的六根出線頭都引出來。根據(jù)需要可接成Y型或△型，如圖1-8所示Y/△降壓起動、起動過程用丫連接(KM1閉合，KM2斷開)，起動過程結(jié)束后切換為△連接(KM2閉合，KM1斷開)。防護等級IP為防護代號，第一位數(shù)字(0～6)規(guī)定了電動機防護體的等級標(biāo)準。第二位數(shù)字(0～8)規(guī)定了電動機防水的等級標(biāo)淮。如IP00為無防護，數(shù)字越大，防護等級越高。共他對于繞線轉(zhuǎn)子電動機還必須標(biāo)明轉(zhuǎn)子繞組接法、轉(zhuǎn)子額定電動勢及轉(zhuǎn)子額定電流．有些還標(biāo)明了電動機的轉(zhuǎn)子電阻，有些特殊電動機還標(biāo)明了冷卻方式等。圖1-8Y/△降壓起動的接線圖

4.三相異步電動機的機械特性： 在異步電動機中，電動機電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差s的關(guān)系T＝f(s)通常叫做T-s曲線。為了符合習(xí)慣畫法?？蓪-s曲線轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系曲線n＝f(T)，稱為異步電動機的機械特性。分為固有機械特性和人為機械特性。固有機械特性

異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有(自然)機械特性，如圖1-9所示。曲線1為電源正相序時的固有機械特性；曲線2為負相序時的曲線。圖1-9電動機的固有機械特性

人為機械持性

異步電動機的機械特性除與電動機的參數(shù)有關(guān)外，還與外加定子電壓Ul、定子電源頻率fl、定子或者轉(zhuǎn)子電路中串入的電阻或電抗等有關(guān)，將這些參數(shù)人為地加以改變而獲得的機械特性稱為異步電動機的人為機械特性。圖1-9改變定子電源頻率時的人為機械特性

圖1-10轉(zhuǎn)子電路串電阻的人為機械特性

圖1-11改變電源電壓時人為機械特性

圖1-12定子電路外接電阻或電抗時的人為機械特性

5.

異步電動機一般調(diào)速方法：

異步電動機實際轉(zhuǎn)速n與電動機輸人定子電源頻率轉(zhuǎn)差率s和電動機磁極對數(shù)P的關(guān)系式為：n=60*f1/P*（1-s）?？梢钥闯觯惒诫妱訖C的調(diào)速可通過改變磁極對數(shù)P、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s、及改變定子頻率f1三種方式。常用的異步電動機調(diào)速方法及其比較如下表所示，由表中的對比可以看出，PWM變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方式。下圖為常用的異步電動機調(diào)速方法及其比較表：

1.2直流電動機的工作原理和運行特性

直流電動機的構(gòu)造較復(fù)雜，價格也比交流電動機昂貴,維護維修也較困難。近年來，由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，在中小功率的電動機調(diào)速領(lǐng)域中，交流電動機正逐步取代直流電動機。盡管如此，由于直流電動機具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、便于大范圍平滑調(diào)速、起動轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點，因此，廣泛用于要求進行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調(diào)速或需靈活控制起動、制動的生產(chǎn)機械。1.直流電動機的基本工作原理

： 直流電動機的基本工作原理是建立在電磁感應(yīng)和電磁力的基礎(chǔ)上的。圖1-13為直流電動機的基本構(gòu)成圖。 它主要由磁極、電樞、電刷及換向片(又稱整流子或轉(zhuǎn)換器)等三大部分構(gòu)成。 N、S兩個磁極在工作時固定不動，故又稱定子。定子磁極用于產(chǎn)個主磁場。在永磁式直流電動機中(一般為小功率的直流電動機)，磁極采用永磁材料制成。充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵式直流電動機中，磁極由沖壓的硅鋼片迭加而成；外繞勵磁線圈，由外加勵磁電流才能產(chǎn)生磁場。在磁極的內(nèi)側(cè)有一個安裝在軸承上可以轉(zhuǎn)動的鐵心。圖1-13直流電動機的基本構(gòu)成團

圖1-14直流電動機的截面圖1-主極；2-勵磁繞組；3-附加極；4附加極繞組；5-極掌；6-極心；7-電樞；8-通份槽；

9-電樞繞組；10-空氣隙；11-軛2.直流自動調(diào)速系統(tǒng)的分類

： 按照直流自動調(diào)速系統(tǒng)中使用的直流電動機的種類不同，可分為普通直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)和控制用直流伺服電動機的調(diào)速系統(tǒng)。 按照電動機調(diào)速控制系統(tǒng)有無反饋環(huán)節(jié)，可分為開環(huán)(手動)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)(自動)調(diào)速系統(tǒng)；在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，又可分為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 按照調(diào)速系統(tǒng)中采用的電力電子器件的不同，可分為晶閘管-電動機直流自動調(diào)速系統(tǒng)、晶體管-電動機直流自動調(diào)速系統(tǒng)和集成電路-電動機直流自動調(diào)速系統(tǒng)。3.直流電動機的一般調(diào)速方法

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在直流電動機中，根據(jù)勵磁繞組連接方式的不同，可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四類電動機、而在調(diào)速系統(tǒng)中用得最多的是他勵電動機。圖1-15為直流他勵電動機與直流并勵電動機的原理圖。圖1-15直流他勵電動機與直流并勵電動機的原理圖

3.直流電動機的一般調(diào)速方法有三種：

調(diào)節(jié)串入電樞回路的外加電阻Rad，(調(diào)阻調(diào)速法或電阻控制法)調(diào)節(jié)電動機的電樞供電電壓U(調(diào)壓調(diào)速法或電壓控制法)調(diào)節(jié)電動機的主磁通Φ(調(diào)磁調(diào)速法或勵磁控制法)圖1-16具有三段附加電組的他勵電動機控制電路

圖1-17改變電樞電壓調(diào)速的特性圖1-18弱磁調(diào)速的特性

1.3伺服控制電動機的工作原理和運行特性

1.3.1步進電動機的工作原理和運行特性:

步進電動機的輸入電源是一種脈沖電壓，有一個輸入脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個固定角度。它是一種“一步一步”地轉(zhuǎn)動的電動機，其轉(zhuǎn)過的角度與輸入的電脈沖個數(shù)嚴格地成比例，故因此而得名。改變輸入其脈沖的頻率，就可以在很廣的范圍內(nèi)平滑連續(xù)地調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速。它還是目前唯一能進行開環(huán)控制的執(zhí)行電器，廣泛用于簡易經(jīng)濟性數(shù)控裝置的改造和設(shè)計中。1.步進電動機的分類

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反應(yīng)式轉(zhuǎn)子用高導(dǎo)磁系數(shù)的材料制造，做成齒型，無線圈，靠定子和轉(zhuǎn)子之間的感應(yīng)電磁力產(chǎn)生力矩并維持相互間的位置。永磁式轉(zhuǎn)子用永久磁鋼制成，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時兼有吸引力和排斥力。在無勵磁情況下能保持轉(zhuǎn)矩，每步轉(zhuǎn)角不能做得很小。混合式轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，同時也做成齒狀；定子也與反應(yīng)式定子相似。它具有反應(yīng)式和永磁式兩種方式的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.反應(yīng)式步進電動機的工作原理：

步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上的磁極和轉(zhuǎn)子都有齒，定子磁極上的磁寬和磁槽必須和轉(zhuǎn)子上的磁寬和磁槽相等。圖1-19為徑向反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)原理示意圖，它的定子上有6個磁極，極距角為60°、每圖1-19徑向反應(yīng)式步近電動機結(jié)構(gòu)原理示意圖個磁極都看作是一個齒。每個磁極上都裝有控制繞組，形成A、B、C三相繞。圖1-19徑向反應(yīng)式步近電動機結(jié)構(gòu)原理示意圖

3．混臺式步進電動機工作原理

： 混合式步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子組成。定于鐵心與反應(yīng)式步進電動機相同，每個極上有小齒和控制繞組。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與水久磁鋼的電磁減速式同步電動機相同。以兩相混合式步進電動機為例，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-20所示。 轉(zhuǎn)子為對稱的兩段磁鋼，軸向充電后，—段是N極，另一段是S極。定子對應(yīng)轉(zhuǎn)子也分兩段，但實際上按一段處理，兩段定子鐵心上裝有同一個兩相對稱控制繞組，如圖1-20b所示。圖1-20混合式步進電動機結(jié)構(gòu)原理圖a)S極性轉(zhuǎn)子徑向剖面圖b)軸向視圖c)N極性轉(zhuǎn)子段徑向剖面圖圖1-21兩相繞組接線圖

4.步進電動機的主要特性

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步距角及步距誤差靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩最大起動轉(zhuǎn)矩最大起動頻率連續(xù)運行頻率圖1-22步進電動機距角特性

圖1-23步進電動機最大起動轉(zhuǎn)矩

1.3.2伺服電動機：

伺服電動機把輸入的信號電壓變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨信號電壓的方向和大小而改變，并正能帶動一定大小的負載，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。 伺服電動機有直流和交流兩大類。1.單相異步電動機： 單相異步電動機就是指用單相交流電源的異步電動機。單相異步電機的運行原理和三相異步電機基本相同，但有其自身的特點。單相異步電動機通常在定子上有兩相繞組，轉(zhuǎn)子是普通籠型的。根據(jù)定子兩個繞組在定子上的分布以及供電情況的不同，可以產(chǎn)生不同的起動待性和運行待性。單相電阻分相起動異步電動機；單相電容分相起動異步電動機；單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機；單相電容起動與運轉(zhuǎn)異步電動機單相罩極式異步電動機。一般單相異步電動機有以下幾種類型：

相定子繞組通電時的機械特性

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單相異步電動機定子兩相繞組是主繞組m及副繞組a，它們一般是在空間上相差90°電角度的兩個分布繞組，通電時產(chǎn)生空間正弦分布的空間磁通勢。首先分析只有一相繞組通電時的機械特性. 單相異步電機中，籠型轉(zhuǎn)子在正轉(zhuǎn)磁通勢或反轉(zhuǎn)磁通勢分別作用下受的電磁轉(zhuǎn)矩T+或T-，與籠型轉(zhuǎn)子在三相異步電動機正向旋轉(zhuǎn)磁通勢(電源相序為正)或反向旋轉(zhuǎn)磁通勢(電源相序為負)分別作用下受的電磁轉(zhuǎn)矩是完全一樣的，T+＝f(s)與T-＝f(s)兩條轉(zhuǎn)矩特性如圖1-24所示。圖1-24主繞組通電時的機械特性曲線

兩相繞組通電時的機械特性：

當(dāng)單相異步電動機主繞組與副繞組同時通入不同相位的兩相交流電流時,—般情況下產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢F。一個橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢也可以分成兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢,—個是正轉(zhuǎn)磁通勢F+，一個是反轉(zhuǎn)磁通勢F-，F(xiàn)+≠F-?；\型轉(zhuǎn)子在F+作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T+，T+＝f(s)為正向轉(zhuǎn)矩特性。在F-作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T-＝f(s)為反向轉(zhuǎn)矩特性。這樣合成轉(zhuǎn)矩特性T＝f(s)，即機械特性為不過坐標(biāo)原點的一條曲線。當(dāng)T+＞T-時，電動機的T＝f(s)、T+＝f(s)、T-＝f(s三條曲線如圖1-25所示。圖1-25單相異步電動機的起動特性

各種類型的單相異步電動機：

圖1-26單相電阻分相起動異步電動機接線圖和矢量圖

圖1-27單相電容分州起動異步電動機接線圖和矢量圖

圖1-29單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機

圖1-30單相電容起動與運轉(zhuǎn)異步電動機

圖1-31單相罩極式異步電動機的結(jié)構(gòu)及矢量圖

2直流伺服電動機

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直流伺服電動機就是微型的他勵直流電動機，其約構(gòu)與原理都與他勵直流電動機相同。按磁極的種類劃分為兩種：一種是永磁式直流伺服電動機，它的磁極是永久磁鐵；另—種是電磁式直流伺服電動機，它的磁極是電磁鐵，磁極外面套著他勵勵磁繞組。圖1-32直流伺服電動機的特件a)機械特性b)調(diào)節(jié)特性3交流伺服電動機

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交流伺服電動機就是兩相異步電動機，它的定子上有空間相差90°電角度的兩相分布繞組，一相為勵磁繞組f，一相為控制繞組K，轉(zhuǎn)子為籠形。交流伺服機必須象直流伺服機一樣具有伺服性。為了滿足信號電壓強時轉(zhuǎn)速高、信號電壓弱時轉(zhuǎn)速低這一要求，可以讓信號強時電機氣隙磁通勢接近圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，弱時橢圓度大接近脈振磁通勢就行。而對于要求信號電壓消失，即UK＝0后，電動機不轉(zhuǎn)必須采用相應(yīng)技術(shù)措施才能實現(xiàn)。圖1-33交流伺服電動機自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的避免

交流伺服電動機利用控制信號電壓UK的大小和相位的變化，控制轉(zhuǎn)速隨之變化.改變UK的大小與相位即實現(xiàn)對交流伺服電動機的控制，控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。圖1-34交流伺服電動機帽值控制(a)控制接線圖(b)Ff最大瞬間圖1-35幅值控制時的機械特性與調(diào)節(jié)特性(a)機械特性(b)調(diào)節(jié)特性

圖1-36相位控制圖1-37幅值-相位控制

1.4力矩電動機

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力矩電動機是一種把伺服電動機和驅(qū)動電動機結(jié)合而發(fā)展成的一種電動機，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動負載運行，同時它又受控制信號電壓的直接控制進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。圖1-38直流力矩電動機

a）分裝式b）內(nèi)裝式

1.5微型同步電動機

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微型同步電動機與交流同步電動機一樣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒為同步轉(zhuǎn)速n0，使用在轉(zhuǎn)速要求恒定的裝置中．例如電唱機、錄音機、電視設(shè)備、電鐘、時