第7章：驅(qū)動控制電機

§7.1單相異步電動機

主要內(nèi)容1.單相異步電動機的工作原理

2.單相異步電動機的啟動與控制一、概述1.定義用單相交流電源供電的異步電動機。2.特點電源方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、噪聲小等優(yōu)點；功率大時體積較大，運行性能較差的缺點。3.結(jié)構(gòu)與三相籠型異步電動機相似：轉(zhuǎn)子為普通籠型；定子上通常有兩個在空間位置上相差90°電角度繞組，一個是工作繞組（又稱主繞組），另一個是起動繞組（又稱輔助繞組））。二、工作原理

㈠單相繞組通電異步電動機的機械特性1.磁動勢定子繞組通單相交流電流產(chǎn)生脈振磁動勢；分解為兩個幅值相等、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢；正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為T+，反轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T-，兩個轉(zhuǎn)矩疊加起來就是電動機的合成轉(zhuǎn)矩T。二、工作原理

㈠單相繞組通電異步電動機的機械特性2.機械特性曲線n=f(T+)及n=f(T-)之間的關(guān)系與三相異步電動機的機械特性相似，兩條曲線的合成即單相繞組通電異步電動機的機械特性曲線n=f（T）二、工作原理

㈠單相繞組通電異步電動機的機械特性3.主要特點：⑴轉(zhuǎn)速為零時，合成電磁轉(zhuǎn)矩為零。單相異步電動機無起動轉(zhuǎn)矩，不能自行起動。⑵外力作用使電動機轉(zhuǎn)動，合成轉(zhuǎn)矩不為零，去掉外力，電動機仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)；⑶理想空載轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，單相異步電動機的額定轉(zhuǎn)差率要高于三相電動機。⑷反向轉(zhuǎn)矩使合成轉(zhuǎn)矩減小，最大轉(zhuǎn)矩也隨之減小故過載能力較低二、工作原理

㈡兩相繞組通電異步電動機的機械特性1.對單相異步電動機，關(guān)鍵是如何在起動時形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，使電機產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。2.在空間不同相的繞組中通以時間不同相的電流，其合成磁動勢就是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢。3.單相異步電動機的定子上除裝有工作繞組外，還有起動繞組。4.在兩個繞組中通入不同相位的電流，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)磁動勢F+和反轉(zhuǎn)磁動勢F-，由于正、反磁動勢幅值不等，且轉(zhuǎn)向相反，所以其合成磁動勢是一個幅值變化的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢。二、工作原理

㈡兩相繞組通電異步電動機的機械特性5.機械特性曲線當主、副繞組通入不同相位的電流，且F+>F-時的機械特性。則T+>T-，這樣n=f(T)不經(jīng)過坐標原點，可見當主、副繞組中通入不同相位的電流時，兩相繞組異步電動機能產(chǎn)生正向起動轉(zhuǎn)矩三、起動和控制

㈠分相電動機

1.電阻分相電動機⑴電路圖⑵分析主、輔繞組的阻抗不同，流過兩個繞組的電流的相位就不同，形成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。⑶特點主、輔繞組的阻抗都是感性的，相位差不大，旋轉(zhuǎn)磁場橢圓度較大，起動轉(zhuǎn)矩較小，起動電流較大。三、起動和控制

㈠分相電動機2.電容分相電動機⑴電路圖⑵分析電容器容量選擇適當，可使主、輔繞組中的電流相差90o，得到一個近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。⑶實現(xiàn)單相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)，可改變電容器C的串聯(lián)位置來實現(xiàn)，改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向。三、起動和控制

㈡電容運行電動機

1.電路圖2.分析⑴輔助繞組和電容器能長期工作，實質(zhì)上是一臺兩相異步電動機⑵電容器容量的選配主要從運行時能產(chǎn)生接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，提高電動機運行性能方面考慮，⑶起動和運行時都能得到較好的性能，則可采用兩個電容器并聯(lián)后再與輔助繞組串聯(lián)的接線方式⑷C1容量較大，C2為運行電容，容量小?！?.2

伺服電動機

一、概述1.定義“伺候、服從”⑴把輸入的電壓信號變換成為電機軸上的角位移或角速度輸出⑵改變輸入電壓的大小和方向就可以改變轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向2.要求伺服電動機有較寬的調(diào)速范圍；快速響應(yīng)性能好；靈敏度要高；無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。3.分類分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類二、直流伺服電動機

㈠分類和結(jié)構(gòu)

直流伺服電動機有傳統(tǒng)型和低慣量型1.傳統(tǒng)型直流伺服電動機⑴永磁式定子磁極是永久磁鐵，其磁通是不可控的⑵他勵式電樞繞組和勵磁繞組由兩個獨立電源供電，實際上是一臺他勵直流電機；不同處：磁路不飽和；軟特性；轉(zhuǎn)動慣量??；換向不困難，不需裝換向極。2、低慣量型直流伺服電機特點是轉(zhuǎn)動慣量小，對控制電壓反應(yīng)迅速二、直流伺服電動機

㈡工作原理1.他勵伺服的原理圖2.電樞控制⑴勵磁繞組電壓恒定，電樞繞組接控制電壓控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，稱為電樞控制.⑵若反之，稱為磁場控制⑶電樞控制的特點:機械特性線性度好，損耗小，響應(yīng)速度比磁極控制快3.機械特性表達式:二、直流伺服電動機

㈡工作原理4.機械特性曲線Uc一定時，隨著轉(zhuǎn)矩T的增加，轉(zhuǎn)速n成正比的下降，機械特性為向下傾斜的直線。當Uc不同時，其斜率β不變，機械特性為一組平行線，隨著Uc的降低，機械特性平行地向下移動，如圖5.堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩特性曲線與橫軸的交點處的轉(zhuǎn)矩就是n=0時的轉(zhuǎn)矩.二、直流伺服電動機

㈡工作原理6.特點⑴優(yōu)點起動轉(zhuǎn)矩大、機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、調(diào)速范圍大、不會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，輸出功率約為1~600W⑵缺點電刷和換向器之間的火花會產(chǎn)生無線電干擾信號，維修比較困難。三、交流伺服電動機

㈠分類和結(jié)構(gòu)

實際上是一臺微型交流異步電動機1.定子結(jié)構(gòu)與電容分相單相異步電動機相類似，交流伺服電動機的定子槽中裝有兩個互差900電角度的分布繞組，分別稱為勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組與交流電源相連，控制繞組加控制電壓Uc三、交流伺服電動機

㈠分類和結(jié)構(gòu)

2.轉(zhuǎn)子⑴籠型轉(zhuǎn)子1—外定子鐵心；2—內(nèi)定子鐵心；3—定子繞組；4—杯型轉(zhuǎn)子；5—轉(zhuǎn)子支架與一般籠型異步電動機轉(zhuǎn)子相類似，只是轉(zhuǎn)子導條用高電阻率的材料（如黃銅、青銅）做成；為減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細而長。⑵杯型轉(zhuǎn)子型轉(zhuǎn)子的定子分內(nèi)、外兩個定子外定子鐵心槽內(nèi)安放有勵磁繞組和控制繞組；內(nèi)定子一般不放繞組，起閉合磁路作用，以減小磁阻。內(nèi)外定子間是一個杯型薄壁轉(zhuǎn)子.優(yōu)點是轉(zhuǎn)動慣量很小，電機快速響應(yīng)性能好，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無抖動現(xiàn)象。缺點是氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大三、交流伺服電動機

㈡工作原理

1.當沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈振磁場，轉(zhuǎn)子無起動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。2.當有控制電壓且控制電流和勵磁電流相位不同時，將產(chǎn)生一個橢圓或圓形的旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)子電流，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)起來。3.控制電壓消失時后電動機應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)。如果電壓消失后像單相異步電動機那樣繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，即存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這意味著失去控制，是不允許的。三、交流伺服電動機

㈡工作原理

4.消除伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象⑴必須加大轉(zhuǎn)子電阻，使臨界轉(zhuǎn)差率大于1⑵機械特性曲線：脈振磁場分解為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線。曲線T為除掉控制電壓后單相供電時合成轉(zhuǎn)矩特性曲線⑶在第二和第四象限，即為制動轉(zhuǎn)矩三、交流伺服電動機

㈢控制方式

1.幅值控制⑴定義保持控制電壓和勵磁電壓之間的相位差為90°，僅改變控制電壓的幅值來改變轉(zhuǎn)速⑵原理圖⑶分析控制電壓為零，為脈振磁場，無起動轉(zhuǎn)矩電機不轉(zhuǎn)控制電壓與勵磁電壓的幅值相等時，氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)矩最大，伺服電機轉(zhuǎn)速最高控制電壓兩者之間變化時，氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速間變化。三、交流伺服電動機

㈢控制方式

2.相位控制⑴定義保持控制電壓的幅值不變，通過改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來改變電機轉(zhuǎn)速⑵原理圖⑶分析控制電壓的幅值不變，與勵磁電壓的相位差通過調(diào)節(jié)移相器改變，從而控制交流伺服電機的轉(zhuǎn)速。三、交流伺服電動機

㈢控制方式

3.幅值—相位控制⑴原理圖⑵分析改變控制電壓的大小時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁繞組中的電流會發(fā)生變化，使勵磁繞組上的電壓以及電容上的電壓也跟隨改變，控制電壓與勵磁電壓的相位差也會發(fā)生變化，從而改變電機的轉(zhuǎn)速.電路簡單、成本低、輸出功率較大，成為最常用的一種控制方式.三、交流伺服電動機

㈣機械特性曲線

1.機械特性曲線2.特點⑴負載一定時，控制電壓愈高，轉(zhuǎn)速也愈高。在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降⑵輸出功率約為0.1~100W，其電源頻率有50、400等幾種§步進電動機

一、概述1.定義將電脈沖信號變換成角位移或線位移的執(zhí)行元件.2.特點每輸入一個電脈沖，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，又稱脈沖電動機二、分類與結(jié)構(gòu)

㈠分類1.按運行方式分旋轉(zhuǎn)運動、直線運動、平面運動等2.旋轉(zhuǎn)式步進電動機可分為⑴反應(yīng)式具有慣量小，反應(yīng)快和速度高的特點，故使用較多，以此為例。⑵永磁式⑶感應(yīng)式二、分類與結(jié)構(gòu)

㈡結(jié)構(gòu)1.定子六個均勻分布的磁極，每對磁極上繞有一對繞組組成一相，三相繞組（定子上繞組的組數(shù)）連成星形，由脈沖電源供電。2.轉(zhuǎn)子⑴轉(zhuǎn)子為兩極，沒有繞組。⑵定子磁極和轉(zhuǎn)子都開有齒分度相同的小齒。采用適當?shù)凝X數(shù)配合，當U相對，V錯開1/3齒距，W相錯開2/3齒距。三、原理

㈠依次通電1.u相單獨通電脈沖，產(chǎn)生沿u—u′軸線方向的磁場，由于磁力線力圖通過磁阻最小，于是磁拉力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至與U相繞組軸線重合。2.改為V相通電，轉(zhuǎn)子將在空間順時針轉(zhuǎn)過60o，轉(zhuǎn)到V相繞組的軸線位置.3.按U-V-W相通電，順時針旋轉(zhuǎn)三、原理

㈡運行方式1.“拍”定義從一種通電狀態(tài)，換到另一種通電狀態(tài)。2.三相單三拍:U-V-W相依次通電3.三相雙三拍:UV-VW-WU相依次通電4.三相六拍:U-UV-V-VW-W-WU相依次通電三、原理

㈢步距角θ1.定義一個脈沖轉(zhuǎn)過的角度2.公式轉(zhuǎn)子齒數(shù)ZR，N拍3.舉例

ZR=40的步進電動機，三相三拍運行時的步距角θ=360o/（40×30）=3o；三相六拍運行時的步距角為θ=1.5o。三、原理

㈣轉(zhuǎn)速n1.對應(yīng)關(guān)系

60s----n*360°1s-----f*θ2.公式四、驅(qū)動控制1.驅(qū)動電源的定義產(chǎn)生一系列有一定規(guī)律的電脈沖信號的電源。2.結(jié)構(gòu)、原理3.特點轉(zhuǎn)速不受電壓波動、負載變化的影響，只與脈沖頻率成正比，并能按照控制脈沖的要求，立即起動、停止和反轉(zhuǎn)。誤差不積累，精度高。應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)§8.1電氣控制系統(tǒng)圖

一、概述1.定義電氣控制系統(tǒng)中各電氣元件及其聯(lián)接用一定圖形表達出來。2.分類電氣原理圖、電器布置圖、電氣安裝接線圖3.符號圖形符號、文字符號二、電氣原理圖

㈠概述1、定義采用電氣元件展開的形式繪制而成。包括所有電氣元件的導電部件和接線端點，但并不按電氣元件的實際位置，也不反映電氣元件的形狀、大小和安裝方式。2、特點結(jié)構(gòu)簡單、層次分明二、電氣原理圖

㈡舉例二、電氣原理圖

㈢繪圖原則1.一般分主電路和輔助電路兩部分2.元件不畫實際的外形圖，用圖形符號、文字符號。3.同一電器元件的各部件可以不畫在一起，但文字符號要相同。4.觸頭，按沒有通電和沒有外力作用時的初始開閉狀態(tài)畫出.5.電氣元件一般按動作順序從上到下，從左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置。6.直接電聯(lián)系的交叉導線連接點，要用黑圓點表示.二、電氣原理圖

㈣圖區(qū)的劃分1.圖區(qū)編號圖紙上方的1、2、3……等數(shù)字是圖區(qū)編號2.功能標注對應(yīng)區(qū)域下方元件或電路的功能，如“電源開關(guān)及保護……”二、電氣原理圖

㈤符號位置的索引

1.索引用圖號、頁次和圖區(qū)編號的組合索引法，索引代號見上圖

2.某一元件相關(guān)的各符號元素出現(xiàn)在不同圖號的圖紙上，而當每個圖號僅有一頁圖紙時，索引代號為3.某一元件相關(guān)的各符號元素出現(xiàn)在同一圖號的圖紙上，該圖號有幾張圖紙二、電氣原理圖

㈤符號位置的索引4.接觸器左欄：主觸頭所在圖區(qū)號中欄：輔助常開觸頭所在圖區(qū)號右欄：輔助常閉觸頭所在圖區(qū)號5.繼電器左欄：常開觸頭所在圖區(qū)號右欄：常閉觸頭所在圖區(qū)號二、電氣原理圖

㈥技術(shù)數(shù)據(jù)的標注1.電氣元件的數(shù)據(jù)和型號，一般用小寫字體注在電器代號下面2.舉例三、電器元件布置圖用來表明電氣設(shè)備上所有電機電器的實際位置，為生產(chǎn)機械電氣控制設(shè)備的制造、安裝、維修提供必要的資料。四、電氣安裝接線圖1.定義圖中可顯示出電氣設(shè)備中各元件的空間位置和接線情況，可在安裝或檢修時對照原理圖使用2.舉例見下圖§8.2電氣控制分析基礎(chǔ)

一、內(nèi)容與要求1．設(shè)備說明書⑴設(shè)備的構(gòu)造，技術(shù)指標，工作原理⑵電氣傳動方式，電機及執(zhí)行電器的數(shù)目，規(guī)格型號⑶設(shè)備的使用方法，器件的布置及作用⑷機電液中直接關(guān)聯(lián)電器的位置、工作狀態(tài)、作用2．電氣控制原理圖3．電氣設(shè)備的總裝接線圖4．電器元件布置圖與接線圖二、分析方法㈠、基本原則：化整為零、順藤摸瓜、先主后輔、集零為整、安全保護、全面檢查㈡、步驟1.分析主電路2.分析控制電路3.分析輔助