其他驱动和控制电机

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 其他驱动和控制电机,第一节 单相感应电动机,第二节 伺服电动机,第三节 测速发电机,第三节 步进电动机,第五节 无刷直流电动机,随着科学技术的发展，微电机已经成为现代工业自动化、办公自动化、家用电器和现代军事装备中不可缺少的重要元件。,微电机是在普通旋转电机的基础上发展起来具有特殊性能的小功率电机。,按其作用可分为两大类：驱动微电机和控制微电机。,驱动微电机用于驱动小功率负载，常用的有无刷直流电机、步进电机、单向感应电动机、交直流伺服电动机和低速同步电动机。,控制微电机主要作信号的变换和传递，常用的有交直流测速发电机、旋转变压器和自整角机等。,控制电机是用来实现信号转换的电机。在自动控制系统中用作检测、执行和校正等元件使用。,其功率一般从数毫瓦到数百瓦。,控制电机是在动力电机（普通电机）的基础上发展起来的，从基本原理来说，与动力电机并无本质区别。,动力电机的主要任务是完成能量的转换，对它们的要求主要是提高效率等经济指标及起动、调速等性能。,而控制电机的主要任务是完成控制信号的传递和转换。所以，对它的基本要求是高精确度、高灵敏度和高可靠性。,第一节 单相感应电动机,单相感应电动机又称单相异步电动机。由于单相电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠及维护使用方便等一系列优点，只需单相交流电源供电，因而被广泛地应用于小型机床、轻工设备、商业机械、食品加工机械、医疗卫生器械、家用电器、日用机电用具等。,一.概述,例如电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、吸尘器、电动工具、仪器仪表、农用水泵等。,单相异步电动机定子绕组是单相绕组，转子为笼型。工作时，定子绕组接在单相交流电源上。,单相感应电动机的定子绕组并非只有一相绕组，因为这样的电动机并不能产生起动转矩。,为了产生起动转矩，单相感应电动机定子上必须安放两个绕组，一个为工作绕组（也称主绕组），另一个为起动绕组（也称副绕组），转子与其它电机完全一样。（两相对称绕组，相位互差90电角度。）,当定子绕组接到单相交流电源上时，在气隙中便产生旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组产生感应电势和电流，从而产生电磁转矩，以实现电能到机械能的转换。,二.单相感应电动机的工作原理,通常单相感应电动机起动绕组只是在起动时接入电源，当转速达到7580同步转速时，将它从电源上脱开，故运行时只有一个绕组接在电源上。,下面分析只有一个工作绕组接在电源上的单相感应电动机的工作原理。,当工作绕组通以单相交流电流,i=Icost,时将产生磁势，这是一个单脉振磁势：,f(x,t)=Fcosxcost,。（基波）,利用三角公式将式改写成：,f(x,t)=cos(x-t)+cos(x+t),公式表示f(x,t),为一个脉振电势，其特征是磁势的轴线在空间固定不变，但各点磁势的大小随时间变化，公式表示,f(x,t),由两个旋转磁势组成。,其中一个为正向旋转磁势：,f+(x,t)=cos(x-t),另一个为反向旋转磁势：,f-(x,t)=cos(x+t),若转子借助某一外力向任一方向旋转，例如沿,T+,方向旋转，设转速为,n,，则对正转磁场而言，转子的转差率为：,S+=S,而对反转磁场，则有：,S-=2-S,跟普通的三相感应电动机一样，,T+,和,T-,与转差率的关系曲线如图所示，单相感应电动机的电磁转矩是两台三相感应电动机转矩之和，即,T=T+T-,。,如,图所示给出了单相感应电动机的,n=f(T),曲线。,由如图所示的,n=f(T),曲线可以得到单相感应电动机的几个重要结论：,（,1,）当转速,n=0,时，,T+,与,T,大小相等方向相反，合成电磁转矩为零。所以单相感应电动机是没有起动转矩的，如果不采用其他措施，它是不能自行启动的。,（,2,）在,n=0,，,S=1,的两边，合成转矩是对称的，因此单相感应电动机没有固定转向，究竟朝那个方向旋转由启动转矩方向决定。,由此可以得到一个重要结论：一个空间按正弦分布，振幅随时间作正弦变化的脉振磁势，可以分解成两个转速和幅值相等，转向相反的圆形旋转磁势，每一个圆形旋转磁势的幅值为原有的脉振磁势幅值的一半。,根据这一结论，我们可以把单相感应电动机看成两台同轴连接的三相感应电动机，如图,7-1,所示，两台三相感应电动机通入相同的电流，但相序相反，因而两套三相定子绕组产生的旋转磁势幅值相等，转向相反。由三相感应电动机基本原理可知，正转磁势最终产生正的电磁转矩,T+,，反转磁势最终产生负的电磁转矩,T-,。,由如图所示的,n=f(T),曲线可以得到单相感应电动机的几个重要结论：,（,1,）当转速,n=0,时，,T+,与,T,大小相等方向相反，合成电磁转矩为零。所以单相感应电动机是没有起动转矩的，如果不采用其他措施，它是不能自行启动的。,（,2,）在,n=0,，,S=1,的两边，合成转矩是对称的，因此单相感应电动机没有固定转向，究竟朝那个方向旋转由启动转矩方向决定。,（,3,）负序转矩的存在，使电机的总转矩减小，最大转矩也随之减小，因而输出功率减小，效率较低。,（,4,）在体积相同的情况下，单相感应电动机的容量约为三相感应电动机的,。,综上所述，单相感应电动机的各种技术经济效能都低于三相感应电动机，其主要原因是单相感应电动机存在负序磁场。,单相异步电动机虽然无起动转矩，但却有运行转矩。只要能解决其起动问题，就可以带负载运行。,三相异步电动机接至电源的三根导线中若有一根断线，电动机便处于单相状态。,所以，如果是起动时断线，则电动机将无法起动，时间一长，会因电流过大而烧坏。,如果是运行中断线，则电动机仍可以继续运行，但电流相应增大，所以，负载一般不能超过额定负载的30%。,三、单相感应电动机的起动和基本类型,1,单相感应电动机的起动原理,上述分析结果表明，只有一个工作绕组的单相感应电动机在接上单相交流电源后产生脉振磁势，没有起动转矩，且旋转方向不确定。显然，只有一个工作绕组的单相感应电动机是没有实用价值的。首先必须解决起动问题。,因为两相交流电机具有两个空间相差,90o,电角度的绕组，当通以两相对称交流电流时，将在气隙中产生圆形旋转磁场，从而带动负载旋转。,为了解决单相感应电动机的起动问题，单相感应电动机也有两套在空间相差,90,o,电角度的绕组：一个为工作绕组，另一个为起动绕组。两个绕组回路的参数不同，因此，将这两个绕组并联后接到单相电源上。将在两个绕组中流过不同相位的电流。这时相当于两相交流电动机的不对称运行情况。将在气隙中产生椭圆形旋转磁场，将这一磁场分解为二个旋转方向相反的圆形旋转磁场,F+,和,F-,，由于其幅值不等，且,F+F-,，故而产生的转矩也不等，且,T+T-,，所以电机能正常起动。,2,单相感应电动机的基本类型,单相异步电动机有：两相起动和罩极起动。,根据起动方法和运行方式的不同，单相感应电动机可分为以下几种类型：,（,1,）单相电阻起动感应电动机,单相电阻起动感应电动机的定子上有两套绕组，一套是主绕组（,Wz,），又叫工作绕组；另一套是副绕组（,Wa,），又叫起动绕组。它们的轴线在空间相隔,90,o,电角度。起动绕组与起动开关串联后和工作绕组并接到同一单相电源上，如图（,a,）所示。当电机转速上升到同步转速时，通过开关断开起动绕组，使电机只有一个工作绕组工作。,为了使起动绕组得到较高的电阻对电抗的比值，通常起动绕组采用较细的铜线，或采用电阻率较大的导线。,单相电阻起动感应电动机适用于驱动低惯量负载，不经常起动，负载可变而要求转速基本不变的场合如小型家用电器等。,（,2,）单相电容起动感应电动机,单相电容起动感应电动机的接线如图（,a,）所示。当电机转速上升到,75,80,同步转速时，通过开关,K,断开起动绕组,Wa,和电容器,Cst,。,电容器,Cst,的作用是使起动绕组支路呈容性负载，从而使电流超前电压一个相角,a,，如图（,b,）所示，如果,Cst,选择合适，可以使,a+m=90,。所以，单相电容起动感应电动机可以得到较大的转动转矩，较小的起动电流，所以电机的起动性能好。,（,3,）单相电容运转感应电动机,如果起动绕组与起动电容在完成电机起动后不断开而是与工作绕组一起长期运行，则称为单相电容运转感应电动机。,单相电容运转感应电动机实质上是一种两相电机。选择合适的电容器和副绕组参数，可以改善电机的运行性能、使电机具有较大的出力、较高的效率和功率因数等优点。由于最佳起动电容值和最佳运行电容值是不同的，所以通常是保证最佳运行效率来选择电机容量。所以这种电机的起动转矩较小，适用于起动转矩要求不高的场合。,为了使电动机既具有较好的起动性能，又具有较好的运行性能，一般在副绕组支路中连接两个电容，如图所示，电容器,Cst,只是在起动时工作，当电机转速达到,75%80%,额定转速时，就用开关,K,断开，电容,C,为长期工作电容。,当工作绕组流过电流时，产生脉振磁通，其中一部分磁通 通过未被短路环罩住的磁极，另一部分磁通 通过短路环罩住的磁极，如图（,a,）所示。由于随时间交变，在短路环中产生电势和电流 ，忽略铁耗时，产生同相的磁通 ，则穿过短路环的合成磁通为：，如图（,b,）所示，,k,为短路环阻抗角。,从图可知，由于磁通 和 在空间和时间上均有一定的相位差，所以，和 的合成磁场是一个类似于旋转磁场而沿一定方向移动的磁场，而产生一定的起动转矩。由于 磁通超前 ，所以在图示情况下，转子将顺时针旋转（先通过 ，再通过 ）。,转子的旋转方向即移动磁场的移动方向是由磁极未罩部分向被罩部分的方向旋转。,这种电动机起动转矩很小，适用于空载下起动的设备。,罩极电动机的起动转矩、效率和功率因数均较低，但是，结构简单，制造方便，价格低廉，广泛使用，如作为小风扇电机。,单相异步电动机效率和功率因数都比较低，过载能力小，所以，容量都比较小，一般不超过1kW。,单相电容起动和运转感应电动机具有较好的起动性能，较高的过载能力、效率和功率因数，噪声低等特点，适合于带负载起动场合。,将两个绕组中的任何一个绕组接电源的两端对调一下位置，即可改变两相电流的相序，旋转磁场的转向便会改变，从而改变转子的转向。,（,4,）单相罩极感应电动机,罩极感应电动机的定子由冲成凸极状（少数做成隐极式）的硅钢片迭压而成，每个磁极上装有工作绕组,Z,，各工作绕组串联后接到单相电源上，在每个磁极的极靴约,1/3,宽度处开一小槽，套入一个短路铜环,K,，转子为笼型结构，如图（,a,）所示。,