電機與電氣控制 教學課件 ppt 作者 施振金 第5章

1、第5章　其他電機,,,單相異步電動機,5.1,,,伺服電動機,5.3,5.1　單相異步電動機,5.1.1單相異步電動機的基本結構5.1.2單相異步電動機的工作原理5.1.3單相異步電動機的主要類型和啟動方法5.1.4單相異步電動機的正反轉控制5.1.5單相異步電動機的調速5.1.6三相異步電動機的單相運行,常用的單相異步電動機,（a）單相電容啟動式 （b）單相罩極式 （c）YY系列電容式圖5.1 單相

2、異步電動機的實物圖,5.1.1 單相異步電動機的基本結構,與三相異步電動機相似1．定子（1）定子與定子繞組（2）外殼2．轉子,電容器,前端蓋,定子,轉子,后端蓋,引出線,圖5.2 單相異步電動機的結構,5.1.2 單相異步電動機的工作原理,與三相異步電動機相似,,交變的脈動磁場,脈動磁場的分解,特點：轉子靜止時，兩個旋轉磁場分別在轉子上產(chǎn)生兩個轉矩（大小相等、方向相反），合成轉矩為零，不能自行啟動,5.1.3 單相異步電動機的

3、主要類型和啟動方法,如果在單相異步電動機定子上安放具有空間相位相差90°的兩套繞組，然后通入相位相差90°的正弦交流電，那么就能產(chǎn)生一個像三相異步電動機那樣的旋轉磁場，實現(xiàn)自行啟動。 1．單相分相式異步電動機2．單相電容式異步電動機 3．單相凸極罩極式異步電動機,1．單相分相式異步電動機,原理：在空間不同相的繞組中通以時間不同相的電流，合成磁場是一個旋轉磁場。（1）電阻啟動單相分相異步電動機（2）電容啟動單

4、相分相電動機,圖5.4 單相分相式異步電動機等效電路,（1）電阻啟動單相分相異步電動機,在定子上嵌有兩個空間相差90°電角度的單相繞組：主繞組U1U2 （工作繞組）、輔助繞組Z1Z2 （啟動繞組），接在同一單相電源上。,缺點：啟動轉矩小，啟動電流大。小型鼓風機、研磨攪拌機、小型鉆床、醫(yī)療器械、電冰箱等,阻值大 ，細；電流相位領先,靜止或轉速較低時，裝在電動機后端蓋上的離心開關S處于閉合狀態(tài)；轉速達一定值時，S自動斷開,（

5、2）電容啟動單相分相電動機,靜止或轉速較低時，裝在電動機后端蓋上的離心開關S處于閉合狀態(tài)，輔助繞組連同電容器與電源接通。轉速達一定值時，S自動斷開。,小型水泵、冷凍機、壓縮機、電冰箱、洗衣機等,2．單相電容式異步電動機,（a）電容運轉式 （b）電容啟動、電容運轉式圖5.5 單相電容式異步電動機等效電路,粗的輔助繞組，不僅產(chǎn)生啟動轉矩，而且參加運行,轉矩大,啟動電容,3．單相凸極罩極式異步電動機,分類：凸極式和隱極式兩種。凸

6、極式的定子（凸極鐵芯）、轉子鐵芯用硅鋼片疊成，凸極鐵芯組成磁極；在每個磁極1/3~1/4處開一個小槽，將磁極表面分為兩塊，在較小的一塊磁極上套入短路銅環(huán)，套有短路銅環(huán)的磁極稱為罩極。,整個磁極上繞有單相繞組，它的轉子仍為籠形,,圖5.6 凸極式罩極電動機結構 圖5.7 等效電路,罩極式電動機的工作原理,表5.1 單相異步電動機結構特點及應用,正反轉：由輔助繞組和主繞組的接法所決定只要將電源切斷，把兩個繞組中任一繞組的兩個

7、端頭換接，就改變了兩繞組中電流之間的相序，也就改變旋轉磁場的方向，使電動機的旋轉方向得到了改變。,5.1.4 單相異步電動機的正反轉控制,,電容式運轉電動機,5.1.5 單相異步電動機的調速,調速方法：變頻調速、串電抗器調速、晶閘管調壓調速、串電容器調速以及繞組抽頭調速等。1．串電抗調速2．抽頭法調速,家用風扇,結構簡單、調速方便，耗材多吊扇電動機,耗材、耗電少，但繞組嵌放和接線復雜,（a）串電抗器調速的接線圖 （b）繞組抽

8、頭調速的接線圖 圖5.10 單相異步電動機的調速控制,,電源線路中串入起分壓作用的電抗器，通過開關選擇繞組匝數(shù)來改變電抗值，改變電動機的電源電壓，調速,調速開關S改變調速繞組串入主繞組支路的匝數(shù)，達到改變氣隙磁場的目的，調速,5.1.6 三相異步電動機的單相運行,1．三相異步電動機的單相運行2．三相異步電動機的缺相運行,1．三相異步電動機的單相運行,沒有三相電源 ，臨時應急。只適用于小、微型電動機，負載降40%,,在單相22

9、0V電源上使用三相異步電動機，是按分相式電機的原理，把三相電動機繞組中兩相（U、V相）串聯(lián)起來組成主繞組，另一相串聯(lián)適當電容作輔助啟動繞組，利用一、二次繞組中產(chǎn)生的90°相位差，來改三相交流電動機接單相運行。（1）△接法方案（2）Y接法方案,,（1）△接法方案,電容C 1、C2都要求耐壓450V～600V，無極油浸式,,C2=（1～4） C 1C 1—工作電容；C2—啟動電容；In—電動機額定電流；cos?—電動機

10、功率因數(shù)。,圖5.11 三相電動機△接法改單相運行,,配電容改接即可,（2）Y接法方案,圖5.12 三相電機接法改單相運行,,2．三相異步電動機的缺相運行,① 啟動前斷了一相，對Y形法無啟動轉矩；對△接法相當于電阻分相啟動，產(chǎn)生很小的啟動轉矩。一般空載啟動時，不動或微微轉動，且?guī)ж撦d時，無法啟動。② 運行中斷了一相，則電動機繼續(xù)旋轉，但其他兩相電路中的電流劇增。電機會發(fā)熱燒壞。應該在兩相以上設有過電流保護,定子繞組的一相無電流，

11、即斷相,5.2　直流電機,優(yōu)點：調速性能良好，大啟動轉矩和過載能力。缺點：制造復雜，成本較高，運行中電流換向的故障多，對粉塵、易燃易爆場所無法應用。在需要較大啟動轉矩的生產(chǎn)機械上（如電車、電氣機車等）和要求性能高的生產(chǎn)機械（如軋鋼機等）上廣泛應用。,,（a）ZYT系列 （b）J-SZ（ZYT）-PX系列 （c）ZK13TH型圖5.13 直流電機實物圖,5.2　直流電機,5.2.1　直流電機的可逆原理5.2.2　直流

12、電機的結構5.2.3　直流電動機工作原理5.2.4　直流電動機的調速方法5.2.5　直流電機的銘牌5.2.6　直流電動機的分類5.2.7　直流電機主要系列,5.2.1　直流電機的可逆原理,直流電機的可逆原理：每一臺直流電機既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行。,,直流電動機和直流發(fā)電機，結構完全相同,圖5.14 直流電機的能量轉換示意圖,5.2.2　直流電機的結構,（a）直流電機分解圖,端蓋,風扇,電樞,電刷架,端蓋,

13、1—風扇 2—機座 3—電樞 4—主磁極 5—電刷架 6—換向器7—接線板 8—出線盒 9—端蓋 10—換向磁極 11—轉軸 12—電樞鐵芯 13—電樞繞組 14—電刷,（b）直流電機剖視圖 （c）直流電機截面圖,組成,1.定子：產(chǎn)生磁場并起機械支撐作用（由主磁極、換向磁極、機座、端蓋、軸承、電刷裝置等部件組成）。2.轉子（電樞） ：產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動勢，能量轉換的樞紐（由電樞鐵芯、電樞繞

14、組、換向器、風扇、轉軸等部件組成）。3.氣隙：定子、轉子之間的間隙。,1．定子,端蓋,機座,主磁極,電刷架,換向極,,（1）主磁極（2）換向極（3）機座（4）電刷裝置（5）端蓋,（1）主磁極,機座,主磁極鐵芯,勵磁繞組,（2）換向極,換向極鐵芯,換向極繞組,,（3）機座,作用：1）作為磁軛傳導磁通，是磁路的一部分；2）用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等部件；3）借用機座的底腳把電機固定在基礎上。機座必須具有足夠的機械強度和

15、良好的導磁性能。,（4）電刷裝置,（a）電刷裝置結構 （b）電刷在刷握中的安放 圖5.18 電刷裝置,刷桿座,彈簧壓板,刷桿,電刷,刷握,電刷,刷握,刷辨,壓指,壓緊彈簧,（5）端蓋,端蓋一般用鑄鐵制成，固定于機座兩端，其作用是：裝有軸承支撐電樞轉動；保護電機避免外界雜物落進；維護人身安全，防止接觸電機內部器件。,2．轉子,（1）電樞鐵芯（2）電樞繞組（3）換向器（4）轉軸,（1）電樞鐵芯,,圖

16、5.19 轉子及電樞鐵芯沖片,換向器,電樞繞組元件,電樞鐵芯,徑向通風道,齒,槽,軸向通風孔,（2）電樞繞組,圖5.20 線圈槽內安放示意圖 圖5.21 電樞槽內絕緣,上層有效邊,端接部分,下層有效邊,線圈尾端,線圈首端,槽楔,線圈絕緣,導體,層間絕緣,槽絕緣,槽底絕緣,（3）換向器,圖5.22 換向器結構,片間云母,鎖緊螺母,V形環(huán),套筒,云母絕緣,換向片,換向片,（4）轉軸,轉軸起電樞旋轉的支撐作用，需有一定的機械強

17、度和剛度，一般用圓鋼加工而成。,3．氣隙,氣隙是電機主磁極與電樞之間的間隙，小型電機氣隙約為1mm~3mm，大型電機氣隙約為10mm~12mm。氣隙雖小，因空氣磁阻較大，在電機磁路系統(tǒng)中有重要作用，其大小、形狀對電機性能有很大的影響。,5.2.3　直流電動機工作原理,圖5.23 直流電動機原理示意圖,磁極,電樞,換向器,電刷,5.2.4　直流電動機的調速方法,1．在電樞中串入電阻2．改變電樞電壓調速3．減少氣隙磁通調速,負載不變的

18、情況下，人為地改變電動機的轉速,1．在電樞中串入電阻,只能在低于額定轉速的范圍內調速。設備簡單，但特性變軟，轉速穩(wěn)定性較差，電阻上的功率損耗較大。,電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻,R越大，穩(wěn)定運行轉速越低,圖5.24 機械特性曲線,,2．改變電樞電壓調速,調節(jié)電樞電壓U、n0變化，但斜率不變,圖5.25 機械特性曲線,氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0，改變電樞端電壓,,一組平行曲線,3．減少氣隙磁通調速,圖

19、5.26 機械特性曲線,電源電壓U=UN，電樞外串電阻RΩ=0，改變氣隙磁通Ф,,5.2.5　直流電機的銘牌,1．型號2．額定功率PN3．額定電壓UN4．額定電流IN5．額定轉速nN6．勵磁7．勵磁電壓Uf8．勵磁電流If9．定額10．溫升τN11．額定效率ηN 12．線端標記,1．型號,,,2．額定功率PN,額定功率是指電機在額定運行時的輸出功率。對電動機來說，是指軸上輸出的機械功率；對發(fā)電機來說，是

20、指電樞輸出的電功率，單位為kW（千瓦）。,3．額定電壓UN,額定電壓是指電樞繞組能夠安全工作的最大輸入電壓（電動機）或輸出電壓（發(fā)電機），單位為V（伏）。,4．額定電流IN,額定電流是指電機在額定運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A（安）。,5．額定轉速nN,額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和額定功率下運行時，電機的旋轉速度，單位為r/min（轉/分）。,6．勵磁,指電機的勵磁方式，如他勵、并勵、串勵和復勵等。,7．勵磁電壓

21、Uf,對并勵電機來說，勵磁電壓就等于電機的額定電壓；對他勵電機來說，勵磁電壓要根據(jù)使用情況決定。,8．勵磁電流If,指電機產(chǎn)生主磁通所需要的最大允許勵磁電流。,9．定額,指電機按銘牌數(shù)值工作時可以連續(xù)運行的時間和順序。定額分為連續(xù)定額、短時定額、斷續(xù)定額3種，例如銘牌上標有“連續(xù)”，表示電機可不受時間限制連續(xù)運行。,10．溫升τN,表示電機允許發(fā)熱的限度。一般將環(huán)境溫度定為40℃。例如溫升80℃，則電機溫度不可超過80℃+40℃=120

22、℃，否則，電機就要縮短使用壽命。溫升限度取決于電機采用的絕緣材料。,11．額定效率ηN,電機在額定狀態(tài)工作時，輸出功率P2與輸入功率P1的百分比值。額定功率與額定電壓和額定電流的關系如下：直流電動機PN=UNINηN×10-3 Kw直流發(fā)電機PN=UNIN×10-3 kW,12．線端標記,國產(chǎn)電動機出線端標記,,銘牌上還標有勵磁方式、額定勵磁電壓、額定勵磁電流和絕緣等級等參數(shù),5.2.6　直流電動機的分類,勵

23、磁方式：勵磁繞組和電樞繞組之間的連接方式1．他勵方式2．并勵方式3．串勵方式4．復勵方式,1．他勵方式,（a）他勵直流發(fā)電機 （b）他勵直流電動機圖5.27 他勵直流電機的勵磁方式,勵磁繞組單獨由其他直流電源供電的方式,勵磁繞組和電樞繞組無電路上的聯(lián)系Ia=I,I 負載電流,I 負載電流,勵磁電流If由獨立的直流電源供電，與電樞電流Ia無關,2．并勵方式,發(fā)電機：勵磁電流由發(fā)電機自身提供，

24、Ia=I+If電動機：勵磁繞組與電樞繞組并接于同一外加電源，勵磁電流由外加電源提供，Ia=I－If,勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的方式,（a）并勵直流發(fā)電機 （b）并勵直流電動機圖5.28 并勵直流電機的勵磁方式,3．串勵方式,（a）串勵直流發(fā)電機 （b）串勵直流電動機圖5.29 串勵直流電機的勵磁方式,勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)再接通直流電源的方式,發(fā)電機：勵磁電流由發(fā)電機自

25、身提供電動機：勵磁繞組與電樞繞組串接于同一外加電源，勵磁電流由外加電源提供,勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)，Ia=I=If,4．復勵方式,（a）復勵直流發(fā)電機 （b）復勵直流電動機圖5.30 復勵直流電機的勵磁方式,差復勵：兩者磁勢方向相反積復勵：串勵繞組產(chǎn)生的磁勢與并勵磁勢方向相同,兩個勵磁繞組（一個和電樞并聯(lián)，一個和電樞串聯(lián)）的方式,直流電動機的主要種類、性能特點及典型應用,5.2.7　直流電機主要系列,Z

26、4系列：一般用途的小型直流電動機；ZT系列：廣調速直流電動機；ZJ系列：精密機床用直流電動機；ZTD系列：電梯用直流電動機；ZZJ系列：起重冶金用直流電動機；ZD2、ZF2系列：中型直流電動機；ZQ系列：直流牽引電動機；Z-H系列：船用直流電動機；ZA系列：防爆安全用電動機；ZLJ系列：力矩直流電動機。,5.3.1　直流伺服電動機5.3.2　交流伺服電動機,5.3　伺服電動機,伺服電動機,自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的要

27、求：①無自轉現(xiàn)象（控制電壓為零時，應速自停）②大斜率的機械特性，寬轉速范圍內穩(wěn)定運行③線性的機械特性和調節(jié)特性，以保精度④快速響應性好（轉動噴量小）分類：直流伺服電動機和交流伺服電動機,任務:將接收的電信號轉換為軸上的角位移或角速度，以驅動控制對象,控制信號/控制電壓，可改變伺服電動機的轉速和轉向,5.3.1　直流伺服電動機,將輸入的直流電信號轉換成機械角位移或角速度信號的裝置,適用于調速性能要求較高的場合：具有良好的啟動、制

28、動和調速性能，可以在較寬的范圍內實現(xiàn)平滑無極的調速。,（a）寬調速永磁 （b）SZ系列 圖5.31 直流伺服電動機實物圖,,1．直流伺服電動機的結構2．直流伺服電動機的工作原理3．直流伺服電動機的主要特性4．直流伺服電動機的型號說明及選用原則5．直流伺服電動機的調速,1．直流伺服電動機的結構,（a）電磁式

29、 （b）永磁式圖5.32 直流伺服電動機剖圖面,在定子的勵磁繞組上用直流電流進行勵磁,永久磁鐵作磁極（省去了勵磁繞組）,2．直流伺服電動機的工作原理,他勵式：當分別給勵磁繞組和電樞繞組通電，勵磁繞組中的勵磁電流If，在氣隙中建立磁通Ф，Ф與電樞電流Ia相互作用產(chǎn)生電磁轉矩T。當If或Ia為零時， T為零，電動機停轉。,圖5.33 電樞控制的直流伺服電動機接線圖,將輸入的直流電信號轉換成機械角位移或角速度信號的

30、裝置,控制方式：電樞控制、磁場控制,3．直流伺服電動機的主要特性,（1）機械特性（2）調節(jié)特性（3）空載始動電壓（4）機電時間常數(shù),（1）機械特性,① 是線性的；② 控制電壓U一定時，n越高，T越??；③ U為不同值時，特性為一族平行線；④ 機械特性線性度越高，系統(tǒng)啟動誤差越小。,圖5.34 直流伺服電動機的機械特性,指勵磁電壓Uf恒定、電樞繞組上的控制電壓Uc為定值時，伺服電動機轉速n與電磁轉矩T之間的函數(shù)關系，即n=?

31、(T）,信號系數(shù),轉速相對值,轉矩相對值,,,轉速基值,轉矩基值,（2）調節(jié)特性,在負載轉矩一定時，控制電壓Uc大，n就高，成正比當Uc=0時，n=0，無自轉現(xiàn)象,在一定勵磁條件下，當輸出轉矩T恒定時，伺服電動機轉速n隨控制系數(shù)a變化關系，即與電樞的控制電壓Uc的變化關系，即 n=?（a）,在一定負載轉矩時電動機的啟動電壓,某一負載轉矩時伺服電動機的失靈區(qū),（3）空載始動電壓,Us0：在空載和一定勵磁條件下，使轉子在任意位置開始連續(xù)旋

32、轉所需的最小控制電壓。Us0一般為額定電壓UN的2%~１2%。小機座號，低電壓的電動機Us0較大。 Us0小表示伺服電動機的靈敏度高。,（4）機電時間常數(shù),電動機在空載和額定的勵磁電壓下，加以階躍的額定控制電壓，轉速從零升到空載轉速的63.2%所需時間稱為機電時間常數(shù)，用τj表示。一般τj＜0.03s，τj小，可提高系統(tǒng)快速性。,4．直流伺服電動機的型號說明及選用原則,,型號,分類：,有刷電動機：成本低、結構簡單、啟動轉矩大、調速

33、范圍寬，但是需要維護（換碳刷），適用于精度要求不高的場合；無刷電動機：體積小、響應快、轉動平滑，力矩穩(wěn)定，但是控制方法比較復雜，適用于控制精度要求高、需要實現(xiàn)智能化控制的場合。電機選擇，要注意選擇電機的額定電壓、額定轉矩、額定轉速機及座號等參數(shù)，并確定其型號。對于特殊用途電機還要注明使用條件和特殊要求等。,5．直流伺服電動機的調速,速度控制單元控制電機運轉，其性能直接決定了電機的運行性能。從主回路的類型分：晶閘管相控整流器和大功

34、率晶體管斬波器（ PWM調速單元）兩種。PWM——pulse width modu1ation脈沖寬度調制,圖5.36 電動機電樞兩端PWM脈沖電壓,利用大功率晶體管作為斬波器，其電源為直流固定電壓，開關頻率也為常值，根據(jù)控制信號的大小來改變每一周期內“接通”和“斷開”的時間長短，即改變“接通”脈寬，使直流電動機電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變其平均電壓，完成電動機的轉速控制。,直流PWM調速的基本原理,脈沖寬度,脈沖的幅值,周

35、期,直流PWM調速的基本原理,ud≈E 因為 得,,,,電樞兩端電壓u（t）的平均值（直流分量）,電樞回路靜態(tài)方程式（忽略電樞內阻Ra上的壓降）,反電動勢,電動機電磁結構常數(shù),勵磁電通,n與脈沖寬度S成正比 控制S，可控制轉速,5.3.2　交流伺服電動機,直流伺服電動機：良好的啟動、制動和調速特性能，可以很方便地在寬范圍內實現(xiàn)平滑無極調

36、速缺點：電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使直流伺服電動機的最高速度受到限制，同時也使應用環(huán)境受到限制。,圖5.37 交流伺服電動機的實物圖,轉子慣量小，動態(tài)響應更好，應用于穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應快的場合,,1．交流伺服電動機的結構2．交流伺服電動機的工作原理3．交流伺服電動機的主要特性4．交流伺服電動機的型號說明及選用原則5．交流伺服電動機在機床進給伺服中的應用,1．交流伺服電動機的結構,（a）空心杯轉

37、子交流伺服電動機結構剖面圖 （b）杯形轉子截面圖圖5.38 交流伺服電動機結構示意圖,空心杯轉子,定子繞組,外定子鐵心,內定子鐵心,機殼,端蓋,實際為兩相異步電動機,兩相繞組,內定子鐵心,空心杯轉子,定子繞組,外定子鐵心,定子,與異步電動機類似。定子槽內嵌有在空間相距90°電角度的兩相繞組。一相作為勵磁繞組Nf，工作時接至交流勵磁電源Uf上；另一相作為控制繞組Nc，輸入同頻率的交流控制電壓Uc。,轉子（兩種結構形式）

38、,（1）籠型轉子與三相異步電動機的籠型轉子相似，其籠型轉子的導條采用高電阻率的導電材料制造；且電動機做成細長型，以減小轉子的轉動慣量。（2）空心杯轉子空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材料（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(chǎn)生渦流與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉矩，使杯形轉子轉動。,2．交流伺服電動機的工作原理,勵磁繞組接到Uf（勵磁電壓）上，控制繞組加上UC（控制電壓）上，調節(jié)控制電流If與勵磁電流IC

39、的相位和幅值，則形成橢圓形旋轉磁場，帶動電動機的轉子轉動起來。,圖5.39 交流伺服電動機原理圖,與單相異步電動機相似,交流伺服驅動器的控制方式（3種 ）,（1）幅值控制（2）相位控制（3）幅值—相位控制,（1）幅值控制,Uc與Uf的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉磁通勢，產(chǎn)生的電磁轉距最大。,圖5.40 幅值控制原理圖,Uc小于Uf的幅值時，所

40、建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場，產(chǎn)生的電磁轉矩減小，電機轉速越慢。,通過改變控制電壓UC的大小來控制電機轉速,（2）相位控制,將勵磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經(jīng)移相器（改變Uc相位）后接到同一交流電壓上，Uc與Uf的頻率相同，改變Uc與Uf相位差的大小，可以改變電機的轉速和轉向。,改變Uc與Uf之間的相位差來實現(xiàn)對轉速和轉向的控制，而Uc的幅值保持不變,圖5.41 相位控制原理圖,（3）幅值—相位控制,當Uc的幅值改變時，轉

41、子繞組的耦合作用，使勵磁繞組的電流 If也變化，從而使勵磁繞組上的電壓Uf及電容C上的電壓也跟隨改變，Uc與Uf的相位差也隨之改變，從而改變電機的轉速。,圖5.42 幅值－相位控制原理圖,勵磁繞組串接電容C后再接到交流電源上,線路簡單，只需電容進行分相，成本低廉、輸出功率較大應用最多,3．交流伺服電動機的主要特性,（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅值—相位控制,1）交流伺服電動機的機

42、械特性,繞組折算后的信號系數(shù),Uc與Uf的相位差角β的正弦值,（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅值—相位控制,2）交流伺服電動機的調節(jié)特性,主要特性,1）非線性 2）轉速越高，電磁轉矩越小 3）控制信號越小，轉速越低，有失靈區(qū),3種控制方式的比較表,4．交流伺服電動機的型號說明及選用原則,,,5．交流伺服電動機在機床進給伺服中的應用,圖5.45 位置、速度、電流三環(huán)結構示意圖,

43、永磁同步交流伺服系統(tǒng)：模擬、數(shù)字和軟件伺服形式,5.4　步進電動機,5.4.1　步進電動機的工作原理5.4.2　步進電動機的結構5.4.3　步進電動機的特性5.4.4　步進電動機的分類及型號說明5.4.5　步進電動機的應用實例,130BYG二相混合式步進電機,用電脈沖信號進行控制，并將此信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電動機。,5.4.1　步進電動機的工作原理,分類：反應式、永磁式和感應子式（混合式）,圖5.47 三相反應

44、式步進電動機的工作原理,步進電動機工作時，每相繞組由專門的驅動電源通過“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電，每來一個電脈沖，電動機就轉動一個角度。,,（a）A 相通電 （b）B相通電 （c）C相通電圖5.48 反應式步進電動機旋轉示意圖,結論：電動機轉子的位置和速度由脈沖數(shù)和頻率決定；而轉子的旋轉方向由通電順序決定。,5.4.2　步進電動機的結構,主要由定子和轉子構成，均由磁

45、性材料構成，分別有6個、4個磁極等。定子的6個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。,定子繞組,定子,永磁體,轉子,端蓋,5.4.3　步進電動機的特性,（1）步距角（2）轉速（3）自鎖能力,（1）步距角,步進電動機通過一個電脈沖轉子轉過的角度,（2）轉速,每輸入一個脈沖，電機轉過因此每分鐘轉過的圓周數(shù)即轉速為,,,（3）自鎖能力,當控制脈沖停止輸入，而使最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電動機可以保持在固定位置。,5.4.

46、4　步進電動機的分類及型號說明,1．通常按勵磁方式分為三大類2．步進電機的型號說明3．步進電動機的接線圖,1．通常按勵磁方式分為三大類,（1）反應式轉子為軟磁材料，無繞組，定、轉子開小齒，應用最廣泛。（2）永磁式轉子為永磁材料，轉子的極數(shù)和每相定子極數(shù)相同，不開小齒，步距角較大，力矩較大。（3）混合式轉子為永磁式開小齒。混合式的優(yōu)點：轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結構復雜，成本較高。,2．步進電機的型號說明,,3．步進電

47、動機的接線圖,（a） （b）圖5.50 二相混合式步進電機的接線圖,5.4.5　步進電動機的應用實例,圖5.51 步進電動機開環(huán)控制結構示意圖,采用脈沖信號控制的方法，通過改變脈沖頻率的高低，可以在較大范圍內調節(jié)電動機的轉速，并能實現(xiàn)快速啟動、制動、反轉，而且具有自鎖能力，不需要機械制動裝置，主要用于精度要求高、運行可靠的數(shù)字控制系統(tǒng)中

48、,步進電動機驅動控制實例,（1）電氣性能指標（2）功能及使用（3）輸入信號（4）輸出信號（5）外部指示燈（6）SH-22206型驅動器與步進電機的接線圖,SH-22206 型驅動器,主要用于驅動機座號為110/130的兩相（或四相）混合式步進電動機。,（1）電氣性能指標,SH-22206型驅動器的電氣性能指標（環(huán)境溫度25℃）,（2）功能及使用,① 電源電壓② 整步及改善半步運行模式③ 雙脈沖及單脈沖控制模式④ 脫機（F

49、REE）功能⑤ 過流保護⑥ 過壓保護⑦ 試機功能,（3）輸入信號,① 正轉脈沖信號② 反轉脈沖信號③ 脫機信號,（4）輸出信號,① 零位信號輸出② 故障信號輸出,（5）外部指示燈,① 電源指示燈（綠色）② 零位信號指示燈（綠色）③ 脫機指示燈（綠色）④ 故障指示燈（紅色）⑤ 高壓電容充電指示燈（紅色）,（6）SH-22206型驅動器與步進電機的接線圖,,,,5.5　檢測電機,5.5.1　測速發(fā)電機5.5.2　旋轉變

50、壓器,檢測電動機的旋轉速度或檢測電動機所轉過的圈數(shù)，以獲得電動機所拖動的直線位移量,5.5.1　測速發(fā)電機,測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉速n成正比例關系 U = k n自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的主要要求：① 輸出電壓與轉速成正比例關系并保持穩(wěn)定（不受外界影響）。② 輸出電壓對轉速的變化反應靈敏，即測速發(fā)電機的輸出特性U =?（n）斜率要大。③ 轉速的測量應不影響被測系統(tǒng)的轉速，即測速發(fā)電機的

51、轉動慣量要小，響應要快。,一種測量轉速的電機：將輸入的機械轉速轉換為電壓信號輸出。,k 比例系數(shù),按輸出電壓的不同，分為交流和直流兩大類。,1．交流測速發(fā)電機,空心杯型測速發(fā)電機結構與空心杯型交流伺服電動機一樣，也是由外定子、空心杯轉子和內定子3部分組成。,有同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩類。交流空心杯型測速發(fā)電機,圖5.54 交流異步測速發(fā)電機原理圖,相互垂直,外定子,接單相交流電源,輸出交流電壓,無數(shù)條并聯(lián)的導體組成,測速發(fā)

52、電機的重要特性是輸出特性,圖5.55 異步測速發(fā)電機輸出特性,輸出特性在理想情況下為直線，實際上輸出特性并不是平穩(wěn)的線性關系，如Ф1的變化，就將破壞輸出電壓U2與轉速之間的線性關系，當然，還有一些其他因素。,2．直流測速發(fā)電機,直流電流If，在氣隙中建立恒定磁場Ф。當被測件以轉速n旋轉時，測速發(fā)電機電樞也同速旋轉，電樞繞組切割氣隙中的Ф，產(chǎn)生感應電動勢Ea。,微型直流發(fā)電機按勵磁方式分為：電磁式和永磁式,圖5.56 直流測速發(fā)電

53、機原理接線圖,若測速發(fā)電機空載運行，電刷兩端的輸出電壓Uo=Ea，即Uo=Ea=CeФn,,若測速發(fā)電機空載運行，電刷兩端的輸出電壓Uo=Ea，即Uo=Ea=CeФn 當測速發(fā)電機接上負載電阻RL時，其輸出電壓U為U = Ea?Ia Ra得,,測速發(fā)電機的輸出特性U=?（n）,注意：① 負載電阻RL應盡可能取大些（靈敏度高）；② 注意最高轉速是否與被測件轉速相符，避免被測機構轉速超出測速發(fā)電機的最高轉速，出現(xiàn)測量誤差。

54、,圖5.57 直流測速發(fā)電機的輸出特性,RL減小，靈敏度降低,5.5.2　旋轉變壓器,結構與繞線轉子異步電動機相似，定子、轉子上分別安置著兩個在空間上相互垂直的繞組。轉子繞組的輸出通過集電環(huán)和電刷引出。按輸出分為正余弦旋轉變壓器和線性旋轉變壓器兩種。,輸出電壓與轉子轉角呈某一函數(shù)關系的控制電機,,1．正余弦旋轉變壓器,,圖5.58 正余弦旋轉變壓器工作原理圖,UR1 = kuUs1 cosθ UR2 = kuUs1 sinθ可

55、以看成一次繞組與二次繞組之間的電磁耦合程度隨著轉子轉角變化而變化的變壓器。,余弦繞組,正弦繞組,使用時應注意：,① 正余弦繞組的負載阻抗盡量相等；② 定子繞組S2-S4自行短接，以補償（抵消）由于負載電流引起的與磁通勢Fs1相垂直會引起輸出電壓畸變的磁通勢，因此S2-S4繞組也稱為補償繞組。,2．線性旋轉變壓器,圖5.59 線性旋轉變壓器工作原理圖,利用正弦輸出繞組的輸出電壓UR2 = kuUs1 sinθ，當θ角很小時，sinθ≈

56、θ，則UR2 ≈kuUs1θ，輸出電壓與轉子轉角θ成線性關系,,當ku取值為0.56~0.6時，則轉子轉角θ在±60°范圍內與輸出電壓呈良好的線性關系,單相異步電動機、直流電機、伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機和旋轉變壓器的基本結構、工作原理、主要類型、啟動方法等。,,本 章 小 結,習 題 5,1．對于一臺單相異步電動機若不采取措施，啟動轉矩為什么為零?當給電動機轉子一個外力矩時，電動機為什么就向該力矩方向旋

57、轉?2．簡述單相異步電動機的基本結構。3．單相異步電動機分為哪幾種類型?4．罩極式單相異步電動機主要有哪些用途?5．電容啟動電動機與電容式電動機有什么區(qū)別?6．簡述單相罩極式異步電動機啟動原理。7．簡述直流電機的基本結構。,,8．直流電機由哪些主要部件組成？各起什么作用?用什么材料制成?9．直流電機的銘牌數(shù)據(jù)含義是什么?10．三相異步電動機斷了一根電源線后，為什么不能啟動?而在運行時斷了一根，為什么仍能繼續(xù)轉動?轉動情況

58、如何?11．一臺三相異步電動機（星型接法）發(fā)生一相斷線時，相當于一臺單相電動機，若電動機原來在輕載或重載運轉，在此情況下還能繼續(xù)運轉嗎？為什么?當停機后，能否再啟動?,,12．永磁式和他勵式直流伺服電動機有什么區(qū)別？13．伺服電動機的作用是什么?直流伺服電動機的調速方法是什么？14．交流伺服電機有哪幾種控制方式？15．為什么交流伺服電動機的轉子電阻要相當大?單相異步電動機從結構上與交流伺服電動機相似，可否代用?16．直流伺服電

59、動機常用什么控制方式?為什么?,,17．當直流伺服電動機勵磁電壓和控制電壓不變時，若負載轉矩減小，試問此時的電磁轉矩、轉速將如何變化?若負載轉矩大小不變，調節(jié)控制電壓增大，電磁轉矩和轉速又將如何變化?18．交流伺服電動機的控制方式有哪幾種?如何改變交流伺服電動機的旋轉方向?19．交流伺服電動機的銘牌參數(shù)有哪些？20．步進電動機的工作原理是什么？步進電動機有哪些特點？,,21．一臺三相六極反應式步進電機步距角為3°,若控制

60、脈沖頻率為2000Hz，其轉速是多少？22．測速發(fā)電機的作用是什么?23．為什么直流測速發(fā)電機使用時，轉速不宜超過規(guī)定的最高轉速?負載電阻也不能小于規(guī)定值?24．步進電動機的作用是什么?,,25．什么叫步進電動機的步距角?步距角的大小由哪些因素決定?26．步距角為1.5°/0.75°的三相六極步進電動機的轉子有多少個齒?若脈沖電源的頻率為2000Hz，步進電動機的轉速是多少?27．旋轉變壓器是怎樣的一種控制