電機與電氣控制課件：控制電機

控制電機5.1伺服電動機5.2步進電動機5.3測速發(fā)電機5.4自整角機5.5直線電動機本章小結(jié)

5.1伺服電動機

伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機,它把輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度信號再輸出,在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨著輸入控制電壓的方向和大小的改變而改變,并且能帶動一定大小的負載。

自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求如下:

(1)寬廣的調(diào)速范圍。伺服電動機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)變化。

(2)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象存在。伺服電動機在控制電壓為零時能立即自行停轉(zhuǎn)。

(3)快速響應(yīng)。伺服電動機的機電時間常數(shù)要小,要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量,其轉(zhuǎn)動方向和大小隨控制電壓的相位(或極性)和大小的改變要非常靈敏和準確。

5.1.1直流伺服電動機

直流伺服電動機就是一臺微型的他勵直流電動機,其結(jié)構(gòu)和原理都與他勵直流電動機相同。按勵磁的種類,直流伺服電動機可分為他勵式和永磁式兩種。

伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向由直流電壓信號控制,其控制方式有兩種:改變電樞電壓大小和方向的稱為電樞控制;改變勵磁電壓大小和方向的稱為磁場控制(只適用于他勵伺服電動機)。后者控制性能不如前者,因此很少采用。下面介紹電樞控制的工作原理。

直流伺服電動機電樞控制接線如圖5－1所示,此時電樞繞組也就是控制繞組的控制電壓為Uc,不考慮電樞反應(yīng)的影響,在磁通保持不變的條件下,電樞控制直流伺服電動機的機械特性方程為圖5－1直流伺服電動機電樞控制接線圖

當(dāng)Uc為不同值時,機械特性為一族平行直線,如圖5－2所示,可以看出,在Uc一定的情況下,轉(zhuǎn)矩T大時轉(zhuǎn)速n低,轉(zhuǎn)矩的增加與轉(zhuǎn)速的下降成正比;在負載轉(zhuǎn)矩一定,磁通不變時,控制電壓高,轉(zhuǎn)速也高,控制電壓的增加與轉(zhuǎn)速n的增加成正比,當(dāng)Uc=0時,n=0,電動機停轉(zhuǎn);要改變電動機轉(zhuǎn)向,可改變控制電壓的極性。由此可見,直流伺服電動機是具有可控性的。直流伺服電動機的機械特性呈線性,特性較硬,在同一轉(zhuǎn)速下對于不同的T,需要的Uc也不同。圖5－2電樞控制直流伺服電動機的機械特性

5.1.2交流伺服電動機

1.基本結(jié)構(gòu)

交流伺服電動機的定子結(jié)構(gòu)有凸極式和隱極式兩種。定子上裝有兩組繞組:一個是勵磁繞組Wf,匝數(shù)為Nf,由給定的交流電壓Uf勵磁;另一個是控制繞組Wc,匝數(shù)為Nc,輸入交流控制電壓Uc。兩組繞組在空間相差90°電角度。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同,交流伺服電動機可分為籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種。

籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和普通三相異步電動機相同,其轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電阻的青銅或鑄鋁制成,整個轉(zhuǎn)子細而長,以此減少其轉(zhuǎn)動慣量;空心杯型轉(zhuǎn)子用鋁合金或紫銅等非磁性材料制成,形如薄壁茶杯,有時也稱其為兩相伺服電動機。交流伺服電動機中除了具有與一般異步電動機同樣的定子外,還有一個內(nèi)定子,內(nèi)定子上一般不放繞組,僅作為磁路的一部分,作用相當(dāng)于籠型轉(zhuǎn)子的鐵芯,杯型轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)外定子之間的轉(zhuǎn)軸上,它可以在內(nèi)外定子之間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn),當(dāng)杯型轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)的渦流與氣隙磁場相互作用時,將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動。交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖5－3所示,當(dāng)前主要應(yīng)用的是籠型轉(zhuǎn)子的交流伺服電動機。

圖5－3交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

2.工作原理及運行特點

交流伺服電動機的工作原理與具有啟動繞組的單相異步電動機相似。如圖5－4所示,勵磁繞組Wf中串入電容C用來移相,使勵磁電流If和控制繞組電流Ic的相位近似相差90°,If與Ic產(chǎn)生的對應(yīng)磁通Φf和Φc在相位上也近似相差90°,二者在空間合成后產(chǎn)生一個兩相旋轉(zhuǎn)磁場,從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來,在電動機軸上輸出轉(zhuǎn)矩,但是一旦控制電壓被取消,僅有勵磁電壓作用時,伺服電動機便成為單相異步電動機,繼續(xù)按原轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動,這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。顯然“自轉(zhuǎn)”不符合交流伺服電動機的可控性要求,必須增大轉(zhuǎn)子電阻,以消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。圖5－4交流伺服電動機原理圖

從單相異步電動機的工作可知,單相脈動磁場可分為正向和逆向兩個旋轉(zhuǎn)磁場,正向旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子起拖動作用,產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩T+,逆向旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子起制動作用,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩T-,圖5－5畫出了轉(zhuǎn)子電阻值不同且控制電壓為零時的正向轉(zhuǎn)矩、逆向轉(zhuǎn)矩以及合成轉(zhuǎn)矩的T=f(s)曲線。其中圖5－5(a),電動機轉(zhuǎn)子電阻值大小似一般單相異步電動機,最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率sm=0.2,當(dāng)控制電壓消失時,電動機仍然沿著轉(zhuǎn)子原轉(zhuǎn)動方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。圖5－5交流伺服電動機單相運行(Uc=0)時的T=f(s)曲線

圖5－5(b)是把交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻增大到R'2(R'2>R2),此時sm=0.5,若負載轉(zhuǎn)矩仍小于最大電磁轉(zhuǎn)矩,當(dāng)控制電壓消失時,電動機將繼續(xù)轉(zhuǎn)動。圖5－5(c)是電動機轉(zhuǎn)子電阻增大到R″2,使R″2>R'2>R2,sm=1,此時的合成轉(zhuǎn)矩T在電動機工作狀態(tài)時為負值,即當(dāng)控制電壓消失后,處于單相運行狀態(tài)的電動機由于電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì),使電動機能迅速停下來,因此在制造交流伺服電動機時,只要適當(dāng)?shù)丶哟筠D(zhuǎn)子電阻,使sm≥1,就可以克服交流伺服電動機的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。此外,增大轉(zhuǎn)子電阻還有利于改善交流伺服電動機的其他性能。

圖5－6所示為交流伺服電動機的機械特性曲線,T*表示輸出轉(zhuǎn)矩對啟動轉(zhuǎn)矩的相對值,n*表示轉(zhuǎn)速對同步轉(zhuǎn)速的相對值,曲線1是一般異步電動機的機械特性,它的穩(wěn)定運行區(qū)僅在轉(zhuǎn)差率0~1區(qū)間,由于一般異步電動機的臨界轉(zhuǎn)差率sm=0.1~0.2,故電動機的調(diào)速范圍很小,如果增大轉(zhuǎn)子電阻,使其sm≥1,則電動機的機械特性就如圖5－6中曲線2、3所示,電動機相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由零到同步轉(zhuǎn)速的全部范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運行。

圖5－6交流伺服電動機的機械特性曲線

3.控制方式

交流伺服電動機運行時,控制繞組上所加的控制電壓Uc是變化的,改變它的大小或者改變它與勵磁電壓之間的相位角,都能使電動機氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度發(fā)生變化,從而影響電磁轉(zhuǎn)矩,當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩一定時,可以通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位來達到改變電動機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向的目的。其控制方式通常有幅值控制、相位控制和幅值相位控制三種。

4.應(yīng)用舉例

下面介紹伺服電動機在測溫儀表———電子電位差計中的應(yīng)用。圖5－7是它的原理圖,該系統(tǒng)主要由熱電偶、電橋電路、變流器、電子放大器及交流伺服電動機組成。

在測量溫度時,將開關(guān)S投向b點,熱電偶將被測的溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢E1,整流橋中滑線電阻R2上的電壓降(I0R2)是用以平衡E1的,當(dāng)兩者不相等時將產(chǎn)生不平衡電壓ΔU,ΔU經(jīng)過變流器變換為交流電壓,而后經(jīng)過電子放大器放大驅(qū)動伺服電動機,經(jīng)減速后帶動測溫儀指針偏轉(zhuǎn),同時使滑線電阻的滑動端移動,當(dāng)滑線電阻R2到一定值時,電橋達到平衡,于是電動機停轉(zhuǎn),指針停留在一個轉(zhuǎn)角為θ處,由于測溫儀的指針被伺服電動機所帶動而使偏轉(zhuǎn)角θ與被測溫度t之間存在著對應(yīng)的關(guān)系,因此在刻度盤上可直接讀取被測溫度的值。

圖5－7電子電位差計原理圖

在測量溫度時,要保持I0為恒定的標準,其方法是:測量前,將開關(guān)扳向a點,使標準電池(其電動勢為E0)接入,然后調(diào)節(jié)R3,使I0(R1+R2)=E0,ΔU=0,此時的電流I0即為標準值。

5.2步進電動機

步進電動機種類繁多,按運行方式可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種。通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進電動機又有反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式三種,其中反應(yīng)式步進電動機是我國目前使用最廣泛的一種,它具有慣性小、反應(yīng)快和速度高的特點。

圖5－8所示是反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖,定子具有均勻分布的六個磁極,磁極上繞有控制繞組(即勵磁繞組),兩個相對磁極組成一組,繞組的接法如圖5－8所示,步進電動機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組,為了分析方便起見,假定轉(zhuǎn)子具有均勻分布的四個齒。下面介紹單三拍、六拍和雙三拍控制的基本工作原理。圖5－8反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.1單三拍控制

圖5－9所示為三相反應(yīng)式步進電動機單三拍控制方式時的工作原理圖。當(dāng)U相控制繞組先通入電脈沖時,U、U'成為電磁鐵的N、S極,由于磁通是要沿著磁阻最小的路徑閉合,將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極U、U'對齊,即產(chǎn)生U、U'軸線方向的磁通,如圖5－9(a)所示,這樣磁場對轉(zhuǎn)子吸力最大,轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài);U相脈沖結(jié)束后,接著V相通入脈沖,由于同樣的原因,轉(zhuǎn)子齒2、4和定子磁極V、V'對齊,如圖5－9(b)所示,這樣轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)過了30°;

隨后W相控制繞組通電,其磁場吸引轉(zhuǎn)子齒1、3和定子磁極W、W'對齊,轉(zhuǎn)子又在空間逆時針轉(zhuǎn)過30°,如圖59(c)所示,如果按照U→V→W→U→…的順序通電,則轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步周期性地轉(zhuǎn)動,每步轉(zhuǎn)過30°,該角度稱為步距角。由此可知電動機的轉(zhuǎn)速取決于電脈沖的頻率,頻率越高,轉(zhuǎn)速越高。若按U→W→V→U→…的順序通電,則電動機反向轉(zhuǎn)動。三相控制繞組的通電順序及頻率的大小,通常由電子邏輯電路來實現(xiàn)。

圖5－9單三拍控制方式時步進電動機的工作原理圖

上述通電方式稱為三相單三拍,“單”是指每次只有一相控制繞組通電,“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的電脈沖為一個循環(huán)。由于這種控制方式是在一相繞組斷電瞬間另一相繞組剛開始通電,容易造成失步,而且由于單一控制繞組吸引轉(zhuǎn)子,也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩,因此該方式運行穩(wěn)定性較差,很少采用。

5.2.2六拍控制

六拍控制方式中通電順序按U→UV→V→VW→W→WU→U→…進行,即先U相控制繞組通電,而后U、V兩相控制繞組同時通電,然后斷開U相控制繞組,由V相控制繞組單獨通電,再讓V、W兩相控制繞組同時通電,依次進行下去,如圖5－10所示,每轉(zhuǎn)換一次,步進電動機逆時針方向旋轉(zhuǎn)15°,即步距角為15°。若改變通電順序(即反過來),步進電動機將順時針方向旋轉(zhuǎn)。該控制方式中,定子三相繞組經(jīng)六次換接完成一個循環(huán),故稱“六拍”控制,這種控制方式因轉(zhuǎn)換時始終有一個繞組通電,故工作比較穩(wěn)定。圖5－10三相六拍控制方式時步進電動機的工作原理圖

三相六拍通電方式如圖5－11所示。圖5－11三相六拍通電方式

5.2.3雙三拍控制

如果每次有兩相繞組同時通電,即按照UV→VW→WU→UV→…的順序進行,在雙三拍通電方式下,步進電動機的轉(zhuǎn)子位置與六拍通電方式時兩相繞組同時通電時的情況一樣,如圖5－10(b)、(d)所示。所以按雙三拍通電方式運行時,它的步距角和單三拍控制方式相同,也是30°。

由以上分析可知,若步進電動機的定子有三相六個磁極,極距為360°/6=60°,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4,則齒距角為360°/4=90°。當(dāng)采用三拍控制時,每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°,即1/3齒距角;當(dāng)采用六拍控制時,每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15°,即1/6齒距角。因此步進電動機的步距角θ與轉(zhuǎn)子齒數(shù)、運行拍數(shù)有關(guān),可按下式計算:

式中,zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù),m為運行拍數(shù)。

若脈沖頻率為f,步距角θ的單位為弧度,則連續(xù)通入控制脈沖時電動機的轉(zhuǎn)速為

此式說明,步進電動機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,并與頻率同步。步進電動機除了做成三相外,也可以做成四相、六相或更多的相數(shù),由式(5－2)和式(5－3)可知,電動機的相數(shù)及轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多,則步距角也就越小,這種電動機在脈沖頻率一定時轉(zhuǎn)速也越低,但相數(shù)越多,相應(yīng)脈沖電源越復(fù)雜,造價也越高,所以步進電動機一般最多做到六相。

在實際應(yīng)用中,為了保證加工精度,一般步進電動機的步距角不是30°或15°,而是3°或1.5°,為此把轉(zhuǎn)子做成許多齒,并在定子每個磁極上還做幾個小齒,如圖5－12所示。圖5－12高精度步進電動機的結(jié)構(gòu)

數(shù)控線切割機是采用專門計算機進行控制,并利用鉬絲與被加工工件之間火花放電所產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象來加工復(fù)雜形狀的金屬沖?；蛄慵囊环N機床。在加工過程中鉬絲的位置是固定的,而工件固定在十字拖板上,如圖5－13(a)所示,通過十字拖板的縱橫運動,對加工工件進行切割。

圖5－13(b)所示是線切割機的工作原理示意圖。數(shù)控線切割機在加工零件時,先根據(jù)圖樣上零件的形狀、尺寸和加工工序編制計算機程序,并將該程序記錄在穿孔紙帶上,而后由光電閱讀機讀出后送入計算機,計算機就對每一個方向的步進電動機給出控制電脈沖(這里十字拖板X、Y方向的兩根絲杠分別由兩臺步進電動機拖動),指令兩臺步進電動機運轉(zhuǎn),通過傳動裝置來拖動十字拖板按加工要求連續(xù)移動進行加工,從而切割出符合要求的零件。圖5－13線切割機的工作示意圖

一般地,數(shù)控系統(tǒng)中對步進電動機的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖5－14所示。其中控制脈沖由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出。圖5－14應(yīng)用步進電動機的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2.4步進電動機的主要特性

1.步距角θ

步距角θ是指對于一個脈沖信號,轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的機械角度。也就是定子控制繞組每改變一次通電方式的過程中,轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的機械角度。步進電動機的定子和轉(zhuǎn)子都是多齒結(jié)構(gòu),繞組相數(shù)越多,齒數(shù)越多,步距角θ越小,位置精度越高。

2.步距誤差Δα

步距誤差Δα是指理論的步距角與實際的步距角之差,它直接影響執(zhí)行部件的定位精度。伺服步進電動機的Δα一般為±10'~±15',功率步進電動機的Δα一般為±20'~±25'。Δα越小,表示電動機精度越高。

3.最高啟動頻率f0

及啟動慣頻特性空載時步進電動機由靜止突然啟動,并不失步地進入穩(wěn)速運行,所允許的啟動頻率的最高值稱為最高啟動頻率,又稱突跳頻率。伺服步進電動機的f0

最大為1000~2000Hz,功率步進電動機的f0

一般為500~800Hz。

4.連續(xù)運行的最高工作頻率fmax

步進電動機連續(xù)運行時,所能接收的最高控制頻率,稱為最高工作頻率,最高工作頻率遠大于啟動頻率,它表明步進電動機所能達到的最高速度。

5.輸出的轉(zhuǎn)矩

頻率特性步進電動機的定子繞組是電感負載,輸入頻率越高,勵磁電流就越小,磁通量的變化加劇,鐵芯的渦流損失就加大,因此輸出轉(zhuǎn)矩T要降低。圖5－15表示了步進電動機的轉(zhuǎn)矩頻率特性。圖5－15步進電動機轉(zhuǎn)矩頻率特性

5.2.5步進電動機的驅(qū)動電路

驅(qū)動電路性能的好壞在很大程度上決定了電動機的潛力是否能充分發(fā)揮。驅(qū)動電路完成控制信號轉(zhuǎn)換和放大的任務(wù),即將邏輯電平信號變換成電動機繞組所需的具有一定功率的脈沖信號,因此對驅(qū)動電路的要求是:本身功耗小,變換效率高,能提供足夠大的幅值及前后沿較好的勵磁電流,能長時間穩(wěn)定可靠地運行,成本低且易于維護。圖5－16是步進電動機的驅(qū)動電路。圖5－16步進電動機的驅(qū)動電路

5.2.6步進電動機的使用

1.步進電動機無積累誤差

步進電動機驅(qū)動裝置接受脈沖指令,控制其通電順序,將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移,角位移與脈沖成嚴格的比例關(guān)系,無積累誤差。

2.步進電動機的啟動

步進電動機的啟動頻率不能超過其最高工作頻率。

3.步進電動機的調(diào)速

步進電動機的轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比,改變控制脈沖的頻率,可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進電動機的轉(zhuǎn)速。

4.步進電動機的換向

改變定子繞組的通電順序,可以方便地控制電動機的正反轉(zhuǎn)。

5.步進電動機的制動

在沒有控制脈沖輸入時,只要維持繞組電流不變,電動機即可有電磁轉(zhuǎn)矩維持其定位位置,不需要附加機械制動裝置。

5.3測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種把機械轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘栞敵龅脑?其輸出電壓精確地與其轉(zhuǎn)速成正比,在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中應(yīng)用很廣泛,常用來檢測轉(zhuǎn)速,也可作為微分、積分校正元件,用以提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。測速發(fā)電機分為交流和直流兩大類。

自動控制系統(tǒng)和計算裝置對測速發(fā)電機的基本要求是:輸出電壓與輸入的機械轉(zhuǎn)速要保持嚴格的正比關(guān)系,以提高系統(tǒng)的精確度;在一定的轉(zhuǎn)速變化下,輸出電壓的變化量要大,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量要小,響應(yīng)快。下面分別說明直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

5.3.1直流測速發(fā)電機

1.基本結(jié)構(gòu)

直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與普通直流發(fā)電機相同,實際上是一種微型直流發(fā)電機。直流測速發(fā)電機按勵磁方式又可分為他勵式發(fā)電機和永磁式發(fā)電機,由于測速發(fā)電機的功率較小,而永磁式又不需另加勵磁電源,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,溫度變化對勵磁磁場的影響小,線性誤差小,不受負載性質(zhì)影響,因而永磁式直流測速發(fā)電機獲得廣泛的應(yīng)用。

2.工作原理

他勵式直流測速發(fā)電機的工作原理如圖5－17所示。勵磁繞組接一恒定直流電源Uf,通過電流If產(chǎn)生磁通Φ,根據(jù)直流發(fā)電機原理,在忽略電樞反應(yīng)的情況下,電樞的感應(yīng)電動勢為

式中:Ea為電樞上感應(yīng)的電動勢;Ce為發(fā)電機的電勢結(jié)構(gòu)常數(shù);Φ為勵磁磁通;n為所測負載的轉(zhuǎn)速,也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。一般情況下,發(fā)電機的勵磁電流是不變的,因此磁通Φ不變,而每臺發(fā)電機的結(jié)構(gòu)已固定,故Ce不變,所以用常數(shù)Ke表示Ce與Φ的乘積。圖5－17他勵式直流測速發(fā)電機工作原理

由式(5－7)可見,直流測速發(fā)電機的輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n成正比,輸出特性U2=f(n)為線性,如圖5－18所示,對于不同負載電阻RL,其電壓輸出特性曲線的斜率也有所不同,變化規(guī)律是斜率隨負載電阻RL的減小而降低。圖5－18直流測速發(fā)電機的輸出特性

5.3.2交流測速發(fā)電機

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。

同步測速發(fā)電機的輸出電壓大小及頻率均隨轉(zhuǎn)速(輸入信號)的變化而變化,一般用作指示式轉(zhuǎn)速計,很少用于控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量;異步測速發(fā)電機輸出電壓的頻率與勵磁電壓的頻率相同且與轉(zhuǎn)速無關(guān),其輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速成正比,因此在控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。異步測速發(fā)電機分為籠型和空心杯型兩種,籠型測速發(fā)電機沒有空心杯型測速發(fā)電機的測速精度高,而且空心杯型結(jié)構(gòu)的測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量也小,適用于快速系統(tǒng),因此目前空心杯型測速發(fā)電機應(yīng)用比較廣泛。下面介紹它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理及使用特性。

1.基本結(jié)構(gòu)

空心杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的定子上有兩組互相垂直的分布繞組,其中一組為勵磁繞組,另一組為輸出繞組,空心杯型的轉(zhuǎn)子用電阻率較大的青銅制成,屬于非磁性材料,杯子里還有一個由硅鋼片疊成的定子,稱為內(nèi)定子,可以減少主磁路的磁阻,圖5－19所示為一臺空心杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的簡單結(jié)構(gòu)圖。圖5－19空心杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖

2.工作原理

勵磁繞組的軸線為d軸,輸出繞組的軸線為q軸,工作時電機勵磁繞組加上恒頻恒壓的勵磁電壓時,勵磁繞組中有勵磁電流流過,產(chǎn)生與勵磁電壓同頻率的d軸脈振磁動勢Fd和脈振磁通Φd,電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為n,如圖5－20所示,電機轉(zhuǎn)子和輸出繞組中的電動勢及由此而產(chǎn)生的反應(yīng)磁動勢,根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速可分兩種情況。圖5－20異步測速發(fā)電機工作原理

1)電動機不轉(zhuǎn)時

當(dāng)電動機不轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)速n=0,由縱橫磁通或交變在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電動勢稱為變壓器性質(zhì)電動勢,轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動勢性質(zhì)和勵磁磁動勢性質(zhì)相同,均為直軸磁動勢,輸出繞組與勵磁繞組在空間位置上相差90°電角度,不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,輸出電壓U2=0。

2)電動機旋轉(zhuǎn)時

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)速n≠0,轉(zhuǎn)子切割脈動磁通Φd,產(chǎn)生的電動勢稱為切割電動勢,其大小為

式中,Cr為轉(zhuǎn)子電動勢常數(shù),Φd為脈振磁通幅值。由式(5－8)可以看出,轉(zhuǎn)子電動勢Er的大小與轉(zhuǎn)速n成正比,轉(zhuǎn)子電動勢的方向可用右手定則判斷。

3.異步測速發(fā)電機的誤差

1)剩余電壓誤差

電機定、轉(zhuǎn)子部件加工工藝的誤差以及定子磁性材料性能的不一致性造成測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速為零時,實際輸出電壓并不為零,此電壓稱為剩余電壓。剩余電壓的存在引起的測量誤差稱為剩余電壓誤差。減小剩余電壓誤差的方法是選擇高質(zhì)量、各力向特性一致的磁性材料,在加工工藝過程中,提高精度,還可采用裝配補償繞組進行補償?shù)确椒ā?/p>

2)幅值和相位誤差

如果要使異步測速發(fā)電機的輸出電壓嚴格正比于轉(zhuǎn)速n,則勵磁電流產(chǎn)生的脈動磁通Φd應(yīng)保持為常數(shù)。實際上,當(dāng)勵磁電壓為常數(shù)時,勵磁繞組漏阻抗的存在致使勵磁繞組電流與外加勵磁電壓有一個相位差,隨著轉(zhuǎn)速的變化使得幅值和相位均發(fā)生變化,造成輸出電壓的誤差,為減小此誤差可增大轉(zhuǎn)子電阻。

5.4自整角機

在轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)中,自整角機是一種對角位移或角速度的偏差能自動整步的控制電機。它通過電的聯(lián)系,使機械上不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸自動保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步旋轉(zhuǎn)。自整角機有一個三相對稱的繞組W1W4、W2W5、W3W6,它們的匝數(shù)相等,軸線在空間互差120°,連接成星形,還有一個單相繞組Z1Z2,如圖5－21所示,三相繞組在定子上,單相繞組在轉(zhuǎn)子上,或者相反,兩者原理都一樣。圖5－21控制式自整角機的接線圖

5.4.1控制式自整角機

圖5－21的左邊是發(fā)送機,右邊是接收機,兩者結(jié)構(gòu)完全相同,三相繞組放在定子上,兩邊的三相繞組用三根導(dǎo)線對應(yīng)連接。發(fā)送機的單相繞組作為勵磁繞組,接在交流電源上,其電壓U1為定值,接收機的單相繞組作為輸出繞組,其輸出電壓U2由定子磁通感應(yīng)產(chǎn)生,此時接收機是在變壓器狀態(tài)下工作,所以在控制式自整角機系統(tǒng)中的接收機又稱為自整角變壓器。

發(fā)送機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組的軸線與定子W1相繞組相重合的位置作為它的基準電氣零電位,其轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角為θ,即為該兩軸線之間的夾角;自整角變壓器的基準電氣零電位是轉(zhuǎn)子輸出繞組軸線與定子W'1相繞組軸線相垂直的位置,其轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角為θ',圖5－22所示是發(fā)送機和自整角變壓器的示意圖。圖5－22發(fā)送機和自整角變壓器示意圖

當(dāng)發(fā)送機的勵磁繞組通入勵磁電流后,產(chǎn)生交變脈動磁通,其幅值為Φm,設(shè)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角為θ,即勵磁繞組軸線與W1相繞組軸線的夾角為θ,則通過W1相繞組的磁通為Φ1m=Φmcosθ,因為定子三相繞組是對稱的,勵磁繞組軸線與W2相繞組軸線的夾角為θ+240°,與W3相繞組軸線的夾角為θ+120°,于是通過W2相繞組和W3相繞組的磁通幅值分別為

因此在定子繞組中感應(yīng)出電動勢,其有效值分別為

式中,Ns為定子每相繞組的匝數(shù)。

若令E=4.44fNsΦm,則

式中,E為θ=0°時W1相中電動勢的有效值。

由此可見,在定子每相繞組中感應(yīng)出的電動勢是相同的,但它們的有效值是不相等的。

在這些電動勢的作用下,自整角變壓器三相繞組的每個繞組中流過的電流也是同相的,但是有效值不相等。它們的有效值分別為

式中,Z為發(fā)送機和自整角變壓器每相定子電路的總阻抗。

這些電路都產(chǎn)生脈動磁場,并分別在自整角變壓器的單相輸出繞組中感應(yīng)出同相電動勢,其有效值為

式中,K為比例系數(shù)。

自整角變壓器輸出繞組兩端的電壓有效值為上述各電動勢之和,即

經(jīng)過三角運算后得出

5.4.2力矩式自整角機

在控制式自整角機中,轉(zhuǎn)角的隨動是通過伺服電動機來實現(xiàn)的。伺服電動機既帶動控制對象,也帶動自整角變壓器的轉(zhuǎn)子,如果負載很輕(例如指示儀表的指針),就不需要用伺服電動機,由自整角機直接實現(xiàn)轉(zhuǎn)角隨動,這就是“力矩式自整角機”。

圖5－23是力矩式自整角機的接線圖,與控制式自整角機不同的是右邊的自整角機稱為接收機,其單相繞組和發(fā)送機的單相繞組一同接在交流電源上,都作為勵磁用,由接收機的轉(zhuǎn)子帶動負載。圖5－23力矩式自整角機的接線圖

5.4.3自整角機的應(yīng)用

1.力矩式自整角機的應(yīng)用

圖5－24所示是力矩式自整角機在液位指示器中應(yīng)用的例子。圖中浮子隨著液面升降,通過滑輪和平衡錘使自整角發(fā)送機轉(zhuǎn)動,因為自整角接收機是隨動的,所以它帶動的指針能準確反映發(fā)送機所轉(zhuǎn)過的角度,從而實現(xiàn)了液位的傳遞。圖5－24液位指示器的示意圖

2.控制式自整角機的應(yīng)用

圖5－25所示是控制式自整角機在位置隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。圖5－25位置隨動系統(tǒng)的示意圖

圖5－26所示是圖5－25位置隨動系統(tǒng)的框圖,控制式自整角機的輸出電壓經(jīng)交流放大后去控制交流伺服電動機,交流伺服電動機經(jīng)過變速箱帶動被控機械,由被控機械又帶動自整角機的轉(zhuǎn)子,它的轉(zhuǎn)動總是要使失調(diào)角δ減小,直到δ=0為止。如果發(fā)送機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角不斷變化(例如機床的搖動手把),則伺服電動機也就不斷轉(zhuǎn)動,使θ'跟隨θ而變化,達到轉(zhuǎn)角隨動的目的。圖中伺服電動機還帶動測速發(fā)電機,測速發(fā)電機的輸出電壓加在放大器的輸入端,起負反饋作用,以穩(wěn)定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。圖5－26圖5－25位置隨動系統(tǒng)的框圖

5.5直線電動機

直線電動機是直接產(chǎn)生直線運動的電動機,由于直線電動機與執(zhí)行機構(gòu)之間沒有中間傳動機構(gòu),使得傳動機構(gòu)簡單,同時加、減速速度快,可實現(xiàn)快速啟動和正反向運動。

5.5.1直線電動機的基本結(jié)構(gòu)

圖5－27示意了直線電動機結(jié)構(gòu)變化的演變過程。圖5－27(a)所示結(jié)構(gòu)為一般的籠型異步電動機,如果將它沿徑向剖開,并將電動機的圓周展開成直線,就得到如圖5－27(b)所示的直線異步電動機,其中定子與初級對應(yīng),轉(zhuǎn)子與次級對應(yīng),由此演變而來的直線電動機,其初級和次級的長度是相等的。由于初級與次級之間要相對運動,為保證初、次級之間的耦合保持不變,在實際應(yīng)用中,初、次級的長度是不相等的。圖5－27直線電動機結(jié)構(gòu)變化的演變過程

實際應(yīng)用的直線電動機基本結(jié)構(gòu)如圖5－28所示,初、次級的長度不相等,如果初級的長度較短,稱為短初級,如圖5－28(a)所示;反之則稱為短次級,如圖5－28(b)所示。由于短初級結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,在高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)中,通常使用的是短初級結(jié)構(gòu)。圖5－28直線電動機的基本結(jié)構(gòu)形式

5.5.2直線電動機的工作原理

直線電動機是由旋轉(zhuǎn)電動機演變而來的,因此當(dāng)在初級的多相繞組中通入多相電流后,就會產(chǎn)生一個氣隙磁場,這個磁場的磁通密度波是直線移動的,稱為行波磁場。圖5－29所示是直線電動機的基本工作原理,顯然次級移動時,行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是相同的,稱為同步速度,其大小可用下式表示:圖5－29直線電動機的基本工作原理

在行波的切割下,次級的導(dǎo)體將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流,所有導(dǎo)體的電流和氣隙磁場相互作用,使次級沿著行波磁場行進的方向做直線運動。若次級移動的速度用v表示,則轉(zhuǎn)差率的大小為

次級速度為

5.5.3直線電動機的應(yīng)用

1.在磁懸浮列車中的應(yīng)用

直線電動機與磁懸浮技術(shù)相結(jié)合,可使列車達到高速而無振動噪聲。其中所用的直線電動機采用短初級結(jié)構(gòu),作為軌道的次級導(dǎo)電板選用鋁材,磁懸浮是吸引式的。列車的中間下方安放直線電動機,兩邊是若干個轉(zhuǎn)向架,起磁懸浮作用的支承電磁鐵安裝在各個轉(zhuǎn)向架上,它們可以保證直線電動機具有不變的氣隙,并能轉(zhuǎn)彎和上下坡。列車運行時,用測速傳感器測定列車速度,并通過反饋來調(diào)節(jié)頻率和電壓,以控制車速。

2.在傳送帶中的應(yīng)