電機與拖動第八章

電機與拖動第八章1．工作繞組單獨通電時的情況由試驗可知：電動機不轉時，工作繞組單獨通電，電動機不能自行起動。但若用外力拖動電動機向正向或反向旋轉，電動機會被加速到接近轉動而不致停止。其原理可解釋如下：工作繞組通電時產生的脈振磁通勢可分解為兩個幅值相同、轉速相等、轉向相反的磁通勢，一個為正轉磁通勢，一個為反向磁通勢，分別產生正轉和反轉的旋轉磁場。對正轉旋轉磁場，作用于轉子，產生正轉的電磁轉矩，對應的轉差率

曲線如圖8-1中的曲線1所示。反轉旋轉磁場，作用于轉子，產生反轉的電磁轉矩，對應的轉差率圖8.1單相異步電動機的曲線

曲線如圖8.1中的曲線2所示.合成電磁轉矩與S的關系曲線如曲線3所示?？梢姇r，無啟動轉矩，而在外力作用下，使S+或S-不為1時，合成轉矩不等于零，如大于此時的阻轉矩，就能加速至接近同步轉速運行。

2．兩相繞組通電時的機械特性

如果兩相對稱繞組通電兩相對稱電流，產生的基波合成磁通勢亦為圓形旋轉磁通勢，如果以上兩個條件不完全滿足，則產生的基波合成磁通勢一般為橢圓形旋轉磁場。一個橢圓形的旋轉磁通勢可以分解為兩個幅值不等、轉向相反、轉速相同的旋轉磁通勢。設正轉磁通勢的幅值F+大于反轉磁通勢的幅值F-，則Fe-S+曲線和Fe-S-曲線分別如圖8-1中的曲線1和曲線2所示。由合成曲線3可見，S=1時，起動轉矩大于0，能自行起動，正向運行。如果F+<F-，則將反向起動運行。

起動后的單相異步電動機，可以將起動繞組斷開，也可以不斷開。若需要斷開，可在起動繞組中串聯一個離心開關S，當轉速上升到同步轉速的時自動斷開。圖8.2兩個繞組通電單相異步電動機的機械特性曲線二．單相異步電機的主要類型和起動方法（一）電阻分相式啟動繞組的導線較細，匝數較少；工作繞組的導線較粗，匝數較多。所以起動繞組與工作繞組相比，電阻大而電抗小，電流超前一個電角度，從而產生橢圓形旋轉磁通勢，使電動機能自行啟動。由于兩個繞組的電路都是感性的，兩者電流的相位差不大，所以起動轉矩不大，只能用于空載和輕載起動的場合。（二）電容分相式起動繞組串聯一個大小合適的電容，使電流超前工作繞組電流接近，因而產生橢圓度較小的旋轉磁場，從而獲得較大的起動轉矩和較小的起動電流。電容分相式單相異步電動機又分為電容起動電動機、電容運轉電動機和電容起動運轉電動機，各有其特點和適用場合。欲改變分相式電動機的轉向，只要將起動繞組或工作繞組的端頭對調即可。（三）罩極式電動機

罩極式單相異步電動機的結構示意圖如圖8-2所示，定子磁極極面的約1/3處開有小槽，嵌有一個閉合銅環(huán)，稱為短路環(huán)，把磁極的小部分罩在環(huán)中。圖8.3罩極式異步電動機的結構示意圖

當定子磁極繞組通過交流電流時，產生脈振磁通，其中大部分為穿過未罩部分的，另有一部分磁通欲穿過被罩部分，在短路環(huán)中感應電動勢，產生電流和磁通，使實際過被罩部分的磁通過，如圖8-4所示。圖8.4罩極式單相異步電動機磁通向量圖第二節(jié)電磁調速感應電動機電磁調速感應電動機亦稱滑差電動機，從原理上看，它實際上就是一臺帶有電磁滑差離合器的普通鼠籠式感應電動機，其原理如圖8.5(a)所示。(a)電子離合器連接(b)電樞和磁極圖8.5電磁離合器原理圖

電磁滑差離合器由電樞和磁極兩部分組成，兩者之間無機械聯系，各自能獨立旋轉。電樞為一由鑄鋼制成的空心圓柱體，與感應電動機的轉子直接聯接，由感應電動機帶動旋轉，稱為主動部分。磁極由直流電源勵磁，并與生產機械直接聯接，稱為從動部分。當感應電動機帶動離合器電樞以n的速度旋轉時，若勵磁電流等于零，則離合器中無磁場，也無電磁感應現象產生，因此磁極部分不會旋轉。當有勵磁時，電樞便切割磁場產生渦流，渦流的方向如圖8.5b所示。電樞中的渦流與磁極磁場相互作用產生電磁力和電磁轉矩。電樞受到的力的方向可用左手定則判定，如圖8-5b所示。由此而產生的電磁轉矩的方向與旋轉方向相反，因此對電樞而言，是個制動力矩，需要依靠感應電動機的輸出力矩克服此制動力矩，從而維持電樞的轉動。根據作用與反作用大小相等、方向相反，

離合器磁極所受到的力的方向與相反，由所產生的電磁轉矩，驅使磁極轉子并帶動生產機械沿電樞轉向以的速度旋轉，顯然。電磁滑差離合器的工作原理和感應電動機的相同，電磁力矩的大小決定于磁極磁場的強弱和電樞與磁極之間的轉差。因此在一定的負載轉矩時，若改變勵磁電流的大小，為使電磁力矩不變，磁極的轉速必將發(fā)生變化，這就達到了調速的目的。電磁離合器的具體結構形式有很多種，目前我國生產鉸多的是電樞為圓筒形鐵芯(也稱力杯形鐵芯)。磁極為爪形磁極。磁極為爪形磁極。

圖8.6為組合式結構的電磁調速感應電動機。其中測速發(fā)電機是用來構成一個反饋系統(tǒng)以保證機械特性的硬度。

圖8.6電磁調速感應電動機1-電動機2-主動軸3-法蘭端蓋4-電樞5-工作氣隙6-勵磁線圈8-測速機定子9-測速機磁極10-永久磁鐵11-輸出軸12-刷架13-電刷14-集電環(huán)第三節(jié)伺服電動機

伺服電動機也稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務是把接收的電信號轉變?yōu)檩S上的角位移或角速度。這種電機有信號時就動作，沒有信號時就立即停上。伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機。伺服電動機的工作條件與一般動力用電動機有很大區(qū)別，它的起動、制動和反轉十分頻繁，多數時間電動機轉速處在零或低速狀態(tài)等過渡過程中。因此對伺服電動機的性能有如下要求：1．無“自轉“現象。即當信號電壓為零時，電動機應迅速自行停轉。2.具有下垂的機械特性。在控制電壓改變時，電動機能在較寬的轉速范圍內穩(wěn)定運行。3.具有線性的機械特性和調節(jié)特性。4.快速響應。即對信號反應靈敏，機電時間常數要小。一直流伺服電動機

直流伺服電動機按磁極的種類劃分為兩種：一種是永磁式直流伺服電動機，它的轉子磁極是永久磁鐵；另一種是電磁式直流伺服電動機，它的結構和工作原理與他勵直流電機沒有本質不同。直流伺服電動機就是微型的他勵直流電動機。直流伺服電動機就其用途來講，既可作驅動電動機，也可作為伺服電動機(例如錄像機，精密機床的電機)。下面就其作伺服電動機時的性能進行分析。直流伺服電動機的控制方法有兩種：一種是電樞控制，就是改變電樞繞組電壓Ud的大小與方向實現對轉子轉速和轉向的控制；另一種是磁場控制，通過改變勵磁繞組電壓Uf的大小與方向實現對轉子轉速和轉向的控制，這種控制方式主要針對電磁式直流伺服電動機。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介紹電樞控制時的直流伺服電動機特性。

電樞控制是勵磁電壓Uf不變，控制電樞電壓Ud的控制方式。在控制過程中改變電樞繞組電壓Ud，主磁通不變，忽略電樞反應，可得直流伺服電動機的機械特性表達式為（1）直流伺服電動機的機械特性由圖可見，直流伺服電動機的機械特性為一組平行的直線。隨著控制電壓Ud的增加，直線的斜率保持不變，機械特性向上平移。當控制電壓Ud不變時，轉矩Te增大時，轉速n降低，轉矩的增加和轉速的降低呈線性關系。直流伺服電動機的這種機械特性是十分理想的。（2）直流伺服電動機的調節(jié)特性直流伺服電動機的調節(jié)特性是指：在一定的轉矩下，轉子轉速與控制電壓之間的關系。根據機械特性表達式便可繪出不同負載轉矩下的調節(jié)特性如圖所示。二交流伺服電動機

交流伺服電動機就是兩相異步電動機，其定子兩相繞組空間互成電角度。一相繞組為勵磁繞組f，一相為控制繞組k，轉子為鼠籠式轉子。電機運行時，勵磁繞組接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制電壓Uk，兩者頻率相同。改變控制電壓Uk的幅值或相位就可以實現轉速控制。

作為伺服機，交流伺服電機除了必須具有線性度很好的機械特性和調節(jié)特性外，還必須具有伺服性：即控制信號電壓強時，電動機轉速高；控制信號電壓弱時，電動機轉速低；若控制信號電壓等于零，則電動機不轉。但作為伺服電動機，則要求機械特性必須是單值函數并盡量具有線性特性，以確保在整個調速范圍內穩(wěn)定運行。通常的做法是，加大轉子電阻，使得產生最大轉矩時的轉差率。使電動機在整個調速范圍內接近線性。一般情況下，轉子電阻越大，機械特性越接近線性，但堵轉轉矩和最大輸出功率越小，效率越低。

（1）交流伺服電動機的特性要求（2）交流伺服電動機的伺服特性對于普通兩相異步電動機，一旦轉子轉動后，即使一相繞組從電源斷開，兩相異步電動機也可以作為單相交流電機運行，在范圍內，單相電機的轉矩，轉子將繼續(xù)沿原轉向旋轉，如圖a所示。

信號電壓消失后,伺服電動機仍然旋轉不停的現象稱為自轉，自轉現象破壞了伺服性，這對于伺服電動機應絕對避免這種情況。為了避免這種情況，交流伺服電動機使用了很大的轉子電阻使，這時交流伺服電動機的機械特性如圖b所示。

從圖b中所示的單向相繞組通電時的機械特性可見，正轉電磁轉矩特性曲線上，時的臨界轉差率，與對稱。因此電機總的電磁轉矩特性通過零點，即無啟動轉矩；在時，，而是制動性轉矩；時，，也是制動性轉矩。在這種情況下，本來運轉的交流伺服機，若控制信號電壓消失后，由于一相繞組通電運行時的電磁轉矩是制動性的，電動機轉速將被制動到顯然只要，就能避免自轉現象。（3）控制方式與運行特性

交流伺服電動機運行時，勵磁繞組所接電源一般為額定電壓不變，改變控制繞組所加的電壓的大小和相位，電動機氣隙磁動勢則隨著控制電壓的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉磁動勢，有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉磁動勢，也有可能為脈振磁動勢。而由于氣隙磁動勢的不同，電動機機械特性也相應改變，那么拖動負載運行的交流伺服電動機的轉速n也隨之變化。這就是交流伺服電動機利用控制電壓的大小和相位的變化，控制轉速變化的原理。下面分別介紹交流伺服電動機的三種控制方法：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。1.幅值控制及特性

幅值控制接線如圖8-11所示。勵磁繞組f直接接至交流電源，電壓Uf的大小為額定值?？刂评@組所加的電壓為Uk，Uk在時間上落后于勵磁繞組電壓Uf90°，且保持90°不變，Uk的大小可以改變。調節(jié)時，Uk的大小可以表示為，其中,UKN為控制繞組額定電壓，又稱為有效信號系數。當有效信號系數時，控制電壓，此時交流伺服電動機僅有勵磁繞組一相供電，氣隙合成磁動勢為脈振磁動勢。圖8.11交流伺服電動機的幅值控制當有效信號系數時，控制電壓，此時交流伺服電動機勵磁繞組和控制繞組共同供電，但勵磁繞組磁動勢和控制繞組磁動勢兩者大小不等，氣隙合成磁動勢為橢圓形旋轉磁動勢。越小，橢圓度越大，越接近脈振磁動勢。

當有效信號系數時，控制電壓，勵磁繞組磁動勢和控制繞組磁動勢大小等，氣隙合成磁動勢為圓形旋轉磁動勢。由此可以獲得不同值的機械特性如圖8.12所示

圖8.12交流伺服電動機的機械特性

采用幅值控制時，交流伺服電動機的調節(jié)特性可以通過機械特性獲得。具體方法是：在機械特性上作許多平行于縱軸的直線，從而獲得一定轉矩下轉速與之間的關系曲線，即調節(jié)特性，如圖8.13所示。不同的曲線對應于不同負載轉矩下的調節(jié)特性。圖8.13交流伺服電動機的調節(jié)特性2相位控制

保持控制電壓和勵磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來改變交流伺服電動機轉速，這種控制方式稱為相位控制。其原理圖如圖8.14所示，控制繞組通過移相器與勵磁繞組一同接至同一交流電源上，UK

的幅值不變，但UK

與Uf

的相位差可以通過調節(jié)移相器在～90°之間變化，UK

與Uf

的相位差發(fā)生變化時，交流伺服電動機的轉速就隨之發(fā)生變化。

圖8.14交流伺服電動機的相位控制3．幅值——相位控制及特性

交流伺服電動機采用幅值——相位控制時的接線如圖8.15所示。圖中勵磁繞組串聯電容后接至交流電源，控制繞組的電壓的頻率和相位和電源相同，但幅值可調。圖8.15交流伺服電動機的幅值——相位控制交流伺服電動機采用幅值——相位控制機械特性與幅值控制是類似，為非線性，也在轉速標么值小時線性度好。

第六節(jié)

步進電動機一般電動機是連續(xù)轉動，而步進電動機是一步一步轉動的，步進電動機是一種用電脈沖信號控制、將電脈沖信號轉換成為角位移或直線位移的電動機。步進電動機定子繞組輸入一個電脈沖，轉子就前進一步，因此被稱為步進電動機。常用的步進電動機分三大類：反應式步進電動機、永磁式步進電動機以及混合式步進電動機。這三類步進電機的運行原理基本相同。下面僅以反應式步進電動機為例，說明步進電動機的基本運行原理。一、步進電動機的原理三相六極反應式步進電動機的運行原理如圖8.21所示。從結構上看步進電機與開關磁阻電機類似，也是凸極結構。不同的是，步進電動機可以是定、轉子雙邊凸極結構或轉子單邊凸極結構。為了實現小步距角運行，定、轉子主極上一般開有若干個齒槽。因此，步進電機輸出步距角的精度主要取決于自身的結構。

圖8.21反應式步進電動機的運行原理(a)相通電(b)相通電(c)相通電從圖8.21可見，三相六極反應式步進電動機的定子有六個磁極，每個磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。當A相繞組通電時，由于磁力線有力圖通過磁阻最小路徑的特性，轉子在磁阻轉矩的作用下，l—3號齒與定子A相繞組軸線重合，如圖8.21（a)所示；當A相斷電而B相定子繞組通電時，轉子按逆時針方向轉過30°機械角，轉子的2—4號齒與定子B相繞組軸線重合，如圖8.21(b)所示；同樣，當B相斷電而C相定子繞組通電時，轉子再轉過30°機械角，1—3號齒與定子C相繞組軸線重合，如圖8.21(c)所示。可見，定子繞組按照ABCA順序通電，轉子一步步沿逆時針方向旋轉。若改變通電順序，使之按ACBA順序通電，則轉子將一步步沿順時針方向旋轉。二、步進電動機的結構

步進電動機的種類繁多，結構各異。其中，反應式步進電動機自身又有單段式和多段式之分。上面介紹的反應式步進電動機只是單段式結構。下面對除單段反應式步進電動機以外的各類步進電動機的結構與特點分別作簡單介紹。（1）多段反應式步進電動機圖8.22為兩段式步進電機結構的示意圖。多段反應式步進電動機的每段鐵芯沿圓周方向開有數量、形狀相同的齒槽，并且各段定子(或轉子)鐵芯沿圓周方向依次錯開1/m齒距。每段繞組組成單獨一相，m段組成m相步進電動機。多段反應式步進電動機步距角較小，故起動和運行頻率較高。其缺點是：鐵芯錯位工藝復雜，精度不易保證，且功率消耗較大，斷電時無定位轉矩。

圖8.22兩段反應式步進電動機的結構（2）永磁式步進電動機永磁式步進電動機的轉子采用永久磁鋼，永久磁鋼的極數與定子每相的極數相同，如圖8.23給出了永磁式步進電動機的典型結構。注意：相繞組只畫出了一部分。圖中，定子采用兩相繞組，每相包括兩對磁極。轉子則采用兩對極的星形磁鋼。由該圖不難看出，當采用二相四拍通電方式，定子繞組按照AB(－A)(一B)A順序輪流通電時，轉子將按順時針方向旋轉，步距角為45°。圖8.23永磁式步進電動機的結構示意圖

永磁式步進電動機的缺點是：步距角大，起動和運行頻率較低，需要正、負脈沖供電。但這種步進電機消耗的功率小，斷電時具有自鎖能力。（3）混合式步進電動機

混合式步進電動機結合了反應式和永磁式步進電動機的特點。其定子結構與單段反應式步進電動機相同，轉子則由環(huán)形磁鐵和兩段鐵芯組成。每段鐵芯沿外圓周方向開有小齒，兩段鐵芯上的小齒彼此錯開1/2齒距。

混合式步進電動機的步距角較小，起動和運行頻率較高，消耗的功率也較小，且斷電時具有自鎖能力，因而兼有反應式和永磁式步進電動機的優(yōu)點。缺點是：需正、負脈沖供電，制造復雜。三、步進電動機的控制方式

步進電動機定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉子轉過的機械角度稱為步距角。（1）三相單三拍運行方式

A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中“單”是指任何時刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個周期內通電狀態(tài)共改變三次，對應其步距角。（2）三相雙三拍通電方式

三相雙三拍通電方式是指：任何時刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序為ABBCCAAB，此時轉子逆時針運行；若希望轉子順時針運行，則通電順序變?yōu)锳CCBBAAC。三相雙三拍通電方式下，轉子的步距角與單三拍相同。即對于三相六極步進電動機，步距角仍為。三相雙三拍通電方式因轉子受到兩個相反方向上的轉矩而平衡，故轉子振動小、運行穩(wěn)定。（3）三相單、雙六拍通電方式

三相單、雙六拍通電方式是指：三相繞組中，單相、兩相定子繞組輪流通電，其順序為AABBBCCCAA，此時轉子逆時針運行；若希望轉子順時針運行，則通電順序變?yōu)锳ACCCBBBAA。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉子轉過的步距角變?yōu)閱稳牡囊话?，即。?）小步距角反應式步進電機通電方式為了減小步距角，在步進電動機的定、轉子均采用多齒結構，如圖8.24所示。三相小步距角步進電動機定子仍采用三對磁極，在同一直徑的磁極繞組構成一相。所不同的是定子極靴與轉子鐵芯上均開有多個小齒槽，而且定、轉子的齒寬與槽寬均相等。

圖8.24小步距角三相反應式步進電動機

反應式步進電動機由于同一直徑上的相對磁極為一相，這兩個磁極上定、轉子齒槽相對位置完全相同；并且當某一相兩個極下定、轉子齒槽完全對齊時，要求相鄰磁極下定、轉子齒的軸線應錯開1/m個轉子齒距t，見圖8.25。只有這樣，才能確保經過一個通電周期后，轉子轉過一個齒距。圖8.25小步距角三相反應式步進電動機展開圖

滿足以上條件的轉子齒數為式中，2p為定子繞組通電時在圓周上形成的磁極個數；m為定子相數；K為正整數。反應式步進電動機經過一個通電周期后轉子轉過一個齒距，一個通電周期由N拍組成，即轉過一個齒距需要N拍，則每拍(或每個電脈沖)作用下轉子所轉過的角位移即步距角為

上式表明，步距角與轉子齒數和拍數N有關。而拍數N又與步進電動機定子繞組的相數和通電方式有關。要想減小，除了在步進電機本體選擇時盡量考慮使用定子相數和轉子齒數較多的步進電動機外，也可以通過增加拍數N達到減小步距角的目的。

步進電動機轉子轉速與定子繞組的輸入脈沖保持嚴格的比例步關系。若通電脈沖的頻率為f(拍／秒)，則經過一個通電周期(即N個電脈沖)后轉子轉過一個齒距。相應的轉子轉過一個齒距所用的時間為N/f秒，轉子每轉過一周所用的時間為秒。因此，轉子的轉速為第六章

同步電機

同步電機基本結構*同步電機基本原理*三相同步電動機運行特性第一節(jié)三相同步電動機

一．異步電動機的同步化和三相同步電動機的工作原理1．異步電動機的同步化將三相異步電動機轉子繞組供電方式加以改變，直接由直流電源供電，使其由原先流過低頻交流電流改變?yōu)橹绷麟娏?，所形成的磁通勢及其磁場的極對數與定子旋轉磁場的極對數一致，三相異步電動機就可變成三相同步電動機而穩(wěn)定運行（見圖6-1）圖6-1異步電動機同步運行的接線圖

2.同步電動機的工作原理

可以看出：同步電動機的定子繞組與異步電動機的定子繞組完全相同，其作用是通入三相交流電后，可產生一個三相旋轉磁場，來帶動轉子的固定磁場一起轉動，利用兩個磁場之間的相互吸引而產生電磁轉矩．同步電機和其他類型的電機一樣，也遵循可逆原理，可按電動機方式運行，也可按發(fā)電機方式運行圖5同步電機的物理模型a發(fā)電機運行

b理想空載

c電動機運行

二.同步電機的基本結構

1.定子:同異步電機沒什么區(qū)別.2.轉子:顯(凸)極式，可用于同步電動機;隱極式，既可用于同步電動機，也可用于同步發(fā)電機圖a)顯極式圖b)隱極式1凸極式：有上圖可見，轉子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2隱極式：轉子作成圓柱形，氣隙均勻分布。區(qū)別：對于高速旋轉的同步電機，在轉子結構上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉的電機，由于轉子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。水論發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。三同步電機的額定值同步電機的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流。3）額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率。A：對于發(fā)電機而言：輸出的是電功率。B：對于電動機而言：輸出的是機械功率。單位是KW。4)相數m：一般m=3。5)額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定=50Hz.6)額定轉速：額定轉速即為電機的同步速，在一定極數及頻率時，它的轉速是定值。四.電動勢平衡方程式及相量圖轉子的磁場:定子的電勢:五．運行特性

同步電動機的運行特性包括工作，調速和起動三個方面,由于同步電機調節(jié)輸出功率以及調節(jié)勵磁電流都會引起運行情況的改變，因此宜用勵磁電流和輸出功率作為參數來分析同步電機的運行特性．即：功角特性：同步電動機在勵磁電流不變的條件下，輸出有功功率或電磁功率改變時的特性.同步電機的負載變化，即機械負載轉矩的變化不會引起轉速的變化。所以同步電動機電磁功率與相應的電磁轉矩隨負載而變化的情況不能用與轉速的關系去表征，要用所謂功角特性去描述V形曲線：表明同步電動機在有功功率輸出不變或電磁功率不變的條件下，改變勵磁電流引起電樞電流及功率因數如何變化的曲線

(一)功角特性和V形曲線同步電動機的功率平衡方程轉距方程忽略定子電阻的相量圖(6-14)(6-15)(6-16)(6-17)忽略定子銅損后的電磁功率:(6-18)將(6-14)代入(6-16)式,得:１功角特性當電源電壓U＝UN，勵磁電流If＝常數以及φo

及Eo均為常數時，同步電動機的電磁功率Pem（或電磁轉矩Tem）與功率角θ的關系：Pem[或Tem＝f(θ)]如（圖6-10），被稱為同步電動機的功角特性（或矩角特性）即：圖6-10同步電動機的功角特性見圖6-11和圖6-12解釋(6-19)(6-20)2V形曲線

是U=UN,f=fN且在恒功率時，變勵磁If的條件下，將定子電流I與對應的勵磁電流If描成曲線，由于形似“V”字，故得所謂V形曲線:I=(If).輸出功率不變,就是有功功率(有功電流)不變的情況下調節(jié)電機的無功功率(無功電流)看圖(6-13)：

圖6-13對應一定功率，有一條V形曲線，如此可得一簇曲線（見圖6-14）圖6-14同步電動機的V形曲線(二).轉速特性及起動步驟

同步電機在電源頻率恒定使定子合成磁場轉速恒定的條件下，其轉速必為同步轉速n0，是不可調節(jié)的，而平均電磁轉矩卻為零，即

Temav=Tem(t)dt=0因為同步電機僅在運行時才有平均電磁轉矩，而起動過程是非同步運行狀態(tài)，所以同步電動機不能自行起動，可采用異步起動啟動（見圖6-16）圖6-16同步電動機異步起動時的線路圖

同步電動機的起動過程可以分為兩個階段：（1）首先按感應電機方式起動，使轉子轉速接近同步速；（2）加直流勵磁，使轉子拉入同步。由于磁阻轉矩的影響，凸極式同步電動機很容易拉入同步。甚至在未加勵磁的情況下，有時轉子也能拉入同步。因此，為了改善起動性能，同步電動機絕大多數采用凸極式結構。注意：當同步電動機按感應電機方式起動時，勵磁繞組絕對不能開路！必須短路！第八章單相異步電動機及控制電機第一節(jié)單相異步電動機

單相異步電動機是由單相電源供電運行的異步電動機，其結構簡單、成本低廉，只需單相電源，廣泛用于家用電器、電動工具、醫(yī)療器械等，功率從幾瓦到幾百瓦。一、單相異步電動機的工作原理單相異步電機的轉子采用鼠籠式。定子上有兩相繞組，在空間互差電角度，一相為主繞組；另一相為輔助繞組，又稱啟動繞組。一相繞組單獨通入交流電流時，產生的磁通勢為脈振磁通勢，兩相繞組同時相位不同的交流電流時，在電機中產生的磁通勢一般為橢圓形旋轉磁通勢。第一節(jié)伺服電動機

伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它將輸入的電壓信號轉變?yōu)檗D軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉速與轉向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。根據使用電源的不同，伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦；而交流伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。

(一)工作原理交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。如圖7.4所示，電機定子上有兩相繞組，一相叫勵磁繞組f，接到交流勵磁電源Uf上，另一相為控制繞組C，接入控制電壓Uc，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓Uf和控制電壓Uc頻率相同。圖7-1交流伺服電動機原理圖

交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電壓Uf上，若控制繞組加上的控制電壓UC為0V時（即無控制電壓），所產生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場，電機無起動轉矩；當控制繞組加上的控制電壓UC≠0V，且產生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉磁場（若IC與If相位差為90°時，則為圓形旋轉磁場），于是產生起動力矩，電機轉子轉動起來。如果電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續(xù)不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉的失控現象稱為“自轉”。從單相異步電動機理論可知，單相繞組通過電流產生的脈振磁場可以分解為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場，正向旋轉磁場產生正轉矩T+，起拖動作用，反向旋轉磁場產生負轉矩T-，起制動作用，正轉矩T+和負轉矩T-與轉差率S的關系如圖7-2虛線所示，電機的電磁轉矩T應為正轉矩T+和負轉矩T-的合成，在圖中用實線表示。

(a)

(b)

(c)

圖7-2

交流伺服電動機自轉的消除

如果交流伺服電動機的電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么轉子電阻較小，其機械特性如圖7-2（a）所示，當電機正向旋轉時，S+<1，T+>T-,合成轉矩即電機電磁轉矩T=T+-T->0，所以，即使控制電壓消失后，即UC=0V，電機在只有勵磁繞組通電的情況下運行，仍有正向電磁轉矩，電機轉子仍會繼續(xù)旋轉，只不過電機轉速稍有降低而已，于是產生“自轉”現象而失控?！白赞D”的原因是控制電壓消失后，電機仍有與原轉速方向一致的電磁轉矩。消除“自轉”的方法是消除與原轉速方向一致的電磁轉矩，同時產生一個與原轉速方向相反的電磁轉矩，使電機UC=0V在時停止轉動?？梢酝ㄟ^增加轉子電阻的辦法來消除“自轉”。增加轉子電阻后，正向旋轉磁場所產生的最大轉矩

Tm+時的臨界轉差率Sm+隨轉子電阻的增加而增加，而反向旋轉磁場所產生的最大轉矩所對應的轉差率

sm-=2-sm+相應減小，合成轉矩即電機電磁轉矩則相應減小，如圖7-2（b）所示。如果繼續(xù)增加轉子電阻，使正向磁場產生最大轉矩時的sm+≥1，使正向旋轉的電機在控制電壓消失后的電磁轉矩為負值，即為制動轉矩，使電機制動到停止；若電機反向旋轉，則在控制電壓消失后的電磁轉矩為正值，也為制動轉矩，也使電機制動到停止，從而消除“自轉”現象，如圖7-2（c）所示。所以要消除交流伺服電動機的“自轉”現象，在設計電機時，必須滿足：≥1即

≥

增大轉子電阻，使≥

不僅可以消除“自轉”現象，還可以擴大交流伺服電動機的穩(wěn)定運行范圍。但轉子電阻過大，會降低起動轉矩，從而影響快速響應性能。(二)基本結構交流伺服電動機的定子與異步電動機類似，在定子槽中裝有勵磁繞組和控制繞組，而轉子主要有兩種結構形式：1籠型轉子這種籠型轉子和三相異步電動機的籠型轉子一樣，但籠型轉子的導條采用高電阻率的導電材料制造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動機的快速響應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉動慣量。2非磁性空心杯轉子如圖7-3所示，非磁性空心杯轉子交流伺服電動機有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。如圖7-3所示，非磁性空心杯轉子交流伺服電動機有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。由于非磁性空心杯轉子的壁厚約為0.2～0.6mm，因而其轉動慣量很小，故電機快速響應性能好，而且運轉平穩(wěn)平滑，無抖動現象。由于使用內外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大。

圖7-3

非磁性空心杯轉子結構圖1-空心杯轉子；2-外定子；3-內定子；4-機殼；5-端蓋(三)控制方式如果在交流伺服電動機的勵磁繞組和控制繞組上分別加以兩個幅值相等、相位差90°電角度的電壓，那么電機的氣隙磁場是一個圓形旋轉磁場。如果改變控制電壓Uc的大小或相位，那么氣隙磁場是一個橢圓形旋轉磁場，控制電壓Uc的大小或相位不同，氣隙的橢圓形旋轉磁場的橢圓度不同，產生的電磁轉矩也不同，從而調節(jié)電機的轉速；因此，交流伺服電動機的控制方式有三種：

１）幅值控制幅值控制通過改變控制電壓

的大小來控制電機轉速，

,那么控制信號的大小可表示Ｕc＝ＵcN

,稱為有效信號系數，那么以Ｕcn為基值,控制電壓的標么值為：2）相位控制這種控制方式通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。如圖所示，勵磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差,Sin稱為相位控制的信號系數。改變與相位差的大小，可以改變電機的轉速。相位控制的機械特性和調節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3）幅值—相位控制:如圖所示,我們還可以通過同時改變幅值和相位的方法來實現對控制電壓的改變:幅度—相位控制線路簡單，不需要復雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點，因而成為使用最多的控制方式。(四)機械特性和調節(jié)特性1

機械特性機械特性是指控制電信號一定時電磁轉矩隨轉速變化的關系在一個表征控制電信號的系數為一定值的條件，控制電機轉矩和轉速間的關系，這個系數對于:a.幅值控制方式ae=Uc/U's=Uc/U'f-->(式1)b.相位控制方式

ae=Ucsinb/U's=Ucsinb/Uc=sinb-->（式2）c.幅－相控制方式ae=Uco/U's-->(式3）具體機械特性見下圖(四)機械特性和調節(jié)特性1

機械特性機械特性是指控制電信號一定時電磁轉矩隨轉速變化的關系(1)幅值控制方式(2)相位控制方式Sin稱為相位控制的信號系數。(3)幅－相控制方式見187頁圖7-4機械特性

1調節(jié)特性所謂調節(jié)特性，就是表示輸出轉矩一定的情況下，轉速與控制電信號變化的關系

調節(jié)特性就是表示在不同的輸出轉矩下，電機轉速隨控制信號而改變的關系曲線的（見下圖）圖7-5調節(jié)特性a幅值控制

b相位控制

c幅－相控制二、

直流伺服電動機直流伺服電動機實際上就是他勵直流電動機，其結構和原理與普通的他勵直流電動機相同，只不過直流伺服電動機輸出功率較小而已。當直流伺服電動機勵磁繞組和電樞繞組都通過電流時，直流電動機轉動起來，當其中的一個繞組斷電時，電動機立即停轉，故輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上：a)若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉子轉速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；b)若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式叫磁場控制。磁場控制有嚴重的缺點（調節(jié)持性在某一范圍不是單值函數，每個轉速對應兩個控制信號），使用的場合很少。1.電樞控制時直流伺服電動機的特性

控制線路見圖7-6

機械特性表達式Tem=CTFUc/ra-CeCTF2n/ra

或

T=Tem/TemB=a-n/nB=a-V

從上式可看出，直流伺服電動機的機械特性是線性的見下圖

圖7-6電樞控制線路圖圖7-7電樞控制時的機械特性第二節(jié)

測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種檢測元件，主要用途有1.產生加速或減速的信號2.在計算裝置中作計算元件3.對旋轉機械作恒速控制對測速發(fā)電機的要求:1.輸出電壓與轉速成嚴格的線性關系;2.輸出電動勢斜率要大.測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，它把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比：U2=Cn測速發(fā)電機分直流和交流兩大類。交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機。1.交流異步測速發(fā)電機（1）結構及工作原理交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似，其轉子結構有籠型的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉子異步測速發(fā)電機。空心杯轉子異步測速發(fā)電機定子上有兩個在空間上互差90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組，如圖所示。

就信號轉換而言，交流側其輸出繞組中所感應產生的電動勢E與轉速n成正比E=4.44f1N2KCFdn/√2=C'n這樣，異步測速發(fā)電機將轉速信號變成電壓信號，實現測速的目的2.主要誤差（1）線性誤差轉子杯回路中除變壓器電動勢E'r2外，又出現旋轉電動勢End，引起Ir2及I1的變化，使U2＝C'n遭到破壞，從而造成線性誤差（2）相位誤差輸出電壓與勵磁電壓之間的相位誤差是勵磁繞組以及杯形轉子內的漏阻抗壓降引起的所謂相位誤差是指在規(guī)定的轉速范圍內輸出電壓與勵磁電壓之間的相位的變化量（3）剩余誤差交流異步測速發(fā)電機加上勵磁電壓以后，雖轉子停止，往往還會有輸出電壓，使控制系統(tǒng)的準確度大為降低.其原因一是制作工藝不良，二是導磁材料不均勻以及非線性所致

二.直流測速發(fā)電機

1.結構和工作原理

直流測速發(fā)電機的結構與普通小型直流發(fā)電機相同，磁極由永久磁鐵制成，勵磁方式采用他勵式

直流測速發(fā)電機的工作原理和直流發(fā)電機相同(見下圖）

感應電動勢的公式為Eo＝pZFon/60a=CeFon（1）p－極對數Z－電樞繞組總導體數a－電樞繞組的并聯支路對數在有負載時，輸出電壓為U=Eo-IRa=Eo-URa/RL（2）把式2代入式3可得

U=CdFon/(1+Ra/RL)

2.誤差

直流測速發(fā)電機在無信號輸入時，直流測速發(fā)電機中不會出現剩余電壓，又無相位誤差，而線性誤差還是存在的，即輸出特性不是嚴格的曲線關系，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個方面：

（1）電樞反應直流測速發(fā)電機負載時電樞電流會產生電樞反應，電樞反應的去磁作用使氣隙磁通Φ0減小，輸出特性斜率

減小越明顯，輸出特性直線變?yōu)榍€。（2）溫度的影響如果直流測速發(fā)電機長期使用，其勵磁繞組會發(fā)熱，其繞組阻值隨溫度的升高而增大，勵磁電流因此而減小，從而引起氣隙磁通

減小，輸出電壓減小，特性斜率

減小。（3）接觸電阻電樞電路總電阻包括電刷與換向器的接觸電阻

第一節(jié)

自整角機

自整角機廣泛應用于隨動系統(tǒng)中，能對角位移或角速度的偏差進行自動地整步。自整角機通常是兩臺或兩臺以上組合使用，產生信號的自整角機稱為發(fā)送機，它將軸上的轉角變換為電信號，接收信號的自整角機稱為接收機，它將發(fā)送機發(fā)送的電信號變換為轉軸的轉角，從而實現角度的傳輸、變換和接收。在隨動系統(tǒng)中主令軸只有一根，而從動軸可以是一根，也可以是多根，主令軸安裝發(fā)送機，從動軸安裝接受機，故而一臺發(fā)送機帶一臺或多臺接受機。主令軸與從動軸之間的角位差，稱為失調角。自整角機的基本結構如圖所示，通常做成兩極電機。自整角機的定子鐵芯嵌有三相對稱分布繞組，稱為整步繞組，也叫同步繞組，聯結為星形接法。

圖7-18自整角機基本結構示意圖

1－定子

2－轉子

3－阻尼繞組

4－電刷

5－接線柱

6－集電環(huán)轉子上放置單相勵磁繞組，可以做成凸極結構，如圖7-18a，也可做成隱極結構，如圖7-18c，這兩種方式都是勵磁繞組經集電環(huán)和電刷后接勵磁電源。另外，也可把定子做成凸極式，轉子做成隱極式，如圖7.26b，三相整步繞組嵌入轉子鐵芯槽內，并經集電環(huán)和電刷引出，而單相勵磁繞組安裝在定子凸極上。(a)

(b)

(c)

圖7-18

自整角機定子轉子結構形式

二.工作原理

1.力矩式自整角機的工作原理

力矩式自整角機主要用在指示系統(tǒng)中，以實現角度的傳輸

接線圖（見圖7-19）

在隨動系統(tǒng)中，不需放大器和伺服電動機的配合，兩臺力矩式自整角機就可進行角度傳遞，因而常用以轉角指示。兩臺自整角機是相同的，左邊的一臺作發(fā)送機，右邊的一臺作接收機，兩臺電機的勵磁繞組接到同一單相交流電源上，三相整步繞組對應相接。

同步繞組中出現差額電動勢ΔE+及ΔE-，它們各自在同步繞組回路中產生對稱的三相環(huán)流I+=ΔE+/2Z=-I'+I-=ΔE-/2Z=-I'--->（式1）Z為自整角機的短路阻抗由此產生的四個電磁轉矩Tem+=CmE+I+cosΦ>0Tem-=CmE-I-cosΦ<0Tem'+=CmE'+I'+cosΦ<0Tem'-=CmE'-I'-cosΦ>0

-->（式2）在發(fā)送機中，Tem＋和Tem-促使同步繞組向縮小φ角方向轉動；在接收機中，Tem'+和Tem'-促使同步繞組與勵磁繞組產生偏轉角，這樣，四個電磁轉矩都力圖使兩轉子轉到同一位置起整步作用2.控制式自整角機的工作原理把發(fā)送機和接收機的轉子繞組互相垂直