交流力矩电动机调速系统

1、哈尔滨理工大学学士学位论文交流力矩电动机调速系统摘要介绍了三相交流力矩调节器的应用。根据三相交流电彼此相位相差120度的原理，提出了一种新的三相移相触发设计方案，叙述了它的工作原理及接线方式。通过分析得出：该方案是可行的，线路简化，对称，一致，可获得高可靠性，高性价比的产品。三相交流力矩电动机具有独特的电气性能，当负载增加时，电机的出轴转速能自动的随之降低，即具有较软的机械特性。近年来，随着科学技术的发展，工业生产和电气传动对电机性能要求也更加多样化。力矩电机能保证机械特性软且线性度好，适用于电气传动系统中某些要求电动机具有较软机械特性的场合。交流力矩电动机调速系统设计为毕业设计课题，以巩固大

2、学所学知识。通过本次设计，使我对电力拖动及其自动化专业的主干课程有一个较为全面，系统的掌握，增强了理论联系实际的能力，提高了工程意识，锻炼了我独立分析和解决电力工程设计问题的能力，为未来的实际工作奠定了必要的基础。关键词力矩电动机；三相交流调压；移相触发；单稳延时exchange torque motor speed regulation systemabstractintroduced the three-phase torque regulator applications. according to three-phase ac phase difference between the

3、principles of 120 degrees, a new three-phase shift of the trigger design, described the working principle and its connection mode. preparation and passed that test at the scene: the programmed is feasible, simplified lines and symmetry, consistent, be highly reliable, cost-effective products.three-p

4、hase ac torque motor has unique electrical properties, when the load increases, the motor shaft speed automatically to the decreased, with soft mechanical properties. in recent years, with scientific and technological development, industrial production and transmission of the electric motor performa

5、nce requirements have become more diversified. torque motor can guarantee that mechanical properties of soft and linearity, and apply to certain requirements in the electrical transmission system with a soft motor mechanical properties of occasions.exchange torque motor speed regulation system desig

6、ned to graduate design issues, in order to consolidate by the university of knowledge. through this design, so i drag on the power and automation professional courses are the backbone of a more comprehensive and systematic control and enhanced the ability to integrate theory with practice, raising a

7、wareness of the project, i tempered the independent analysis and engineering design to solve the power problem the ability of the actual work for the future lay the necessary foundation. keywords torque motor; three-phase ac surge; phase-shifting trigger; single stable delay.不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- ii -

8、目录摘要iabstractii第1章 绪论1 1.1 课题研究的背景1 1.2 问题的提出及研究的内容和意义1 1.3 相关的理论与方法综述2 1.3.1 晶闸管的特性.2 1.3.2 可控硅的相关特性.4 1.3.3 三相移相触发原理.6 1.3.4 交流力矩电动机的特点. .6 1.3.5交流力矩电动机的具体结构7 1.3.6 交流力矩电动机及其控制器的应用.8 1.3.7 交流力矩电动机的具体介绍.9第2章 交流力矩电动机调速系统设计方案 . 142.1 三相移相触发原理设计方案. 14 2.2 改进后的三相移相触发原理设计方案.15 2.3 工作原理及主要元器件. .162.4本章小结

9、.18第3章 力矩调节器的接线方式 .19 3.1 星形带中性线的三相交流调压电路.19 3.2 三角形或星形不带中性线的三相交流调压电路. .19 3.3 三相交流调压电路的性能简介及工作参数.203.4 本章小结. .21结论 22致谢 23参考文献 .24附录a.26附录b.32千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行- iii -第1章 绪论1.1 课题研究的背景近年来，随着科学技术的进步，工业生产和电气拖动对电机性能的要求也更加多样化。尤其是随着电线电缆，塑料，纸品和织物以及八

10、十年代刚刚兴起的合金芯线等产品发展，相应的生产设备需要研制，更新和扩充。而力矩电机能将产品以恒定的张力及线速度绕在卷筒或圆鼓上，因此被广泛应用于造纸，纺织，塑料，轧钢，电子等行业。在卷绕时，因直径越来越大，转速就必须逐渐减小以维持恒定的线速度，而转矩也须随直径增大而成正比增大。力矩电机的机械特性近似一直线，所以适合上述用途。因此，七十年代力矩电机一出现，马上引起了上述行业技术人员的高度重视。大量的，各种型号的力矩电机很快广泛的应用于上述行业的设备中。但是，对用于不同张力和速度盘卷几种不同产品的力矩电动机，使用时常需调节转矩和速度。通常可用改变力矩电动机的端电压方法来调节其速度及对应的转矩，因为

11、转矩和端电压的平方成正比。调节端电压的方法可用自耦调压器，晶闸管等。合金芯线技术自七十年代末，八十年代初在国外才刚刚出现。在短短的几十年里，已经得到了广泛的应用。自八十年代末开始，一个应用推广该技术的热潮亦在我国冶金以及军工，机器制造行业形成。众所周知，合金芯线技术之所以发展如此之快，除工艺上所进行的不懈探索之外，生产出性能优良，技术稳定的包芯机，喂线机是该技术得以实施的基础和关键。在国内目前生产的包芯机，喂线机产品中，黑龙江省冶金研究所的产品在各个指标上均名列前茅。力矩电动机的应用在冶金产品的技术，性能等方面，起到了举足轻重的作用。力矩电动机的调节器有传统的自耦调节器，80年代的dta系列电

12、子调压器，双向晶闸管交流调节器等。传统的自耦调压器本身存在触点，耗电多，体积大，重量大。在带动大功率负载的场合，常用三相交流力矩电动机作为力矩调节器。但是存在装置笨重，体积大，价格高，可靠性差，调节使用不方便，功率因数低等缺点。随着电力电子技术的迅速发展，三相交流调压变压器逐步被双相晶闸管三相交流调压电路所代替。所以，大，中功率的力矩调节器实质上就是三相交流调压器。为了令从事这方面的同事更多的了解力矩电机及其调速系统，特撰此文。1.2 问题的提出及研究的内容和意义力矩电机能保证机械特性软且线行度好，因此适用于电气传动系统中某些要求电动机具有较软机械特性的场合。晶闸管交流力矩电动机调压器是为代替

13、传统力矩电动机调压器而研制的。它完全可以代替传统的自耦调压器，dta系列电子调压器，对力矩电机调压调速。该控制器吸收了各类调压器的优点，采用了集成触发器，提高了触发电路的工作可靠性。具有体积小，重量轻，无触点，寿命长，耗电少，移相范围宽（0近似180输出），输出电流是按控制对象（力矩电机）的堵转电流设计的。能适应于任何不同负载的调速，且性能可靠。解决了以往力矩电机结构复杂，可靠性低，价格贵，容易引起干扰等缺点。 1.3相关的理论与方法综述1.3.1 晶闸管的特性晶闸管是晶体闸流管的简称，俗称可控硅。有阳极，阴极和控制极。其内有四层pnpn半导体，三个pn结。控制极不加电压时，阳极（+）、阴极（

14、-）间加正向电压不导通，阴极（+）、阳极（-）间加反向电压也不导通，分别称为正向阻断和反向阻断。阳极（+）、阴极（-）加正向电压，控制极（+）、阴极（-）加一电压触发，可控硅导导通，此时控制极去除触发电压，可控硅仍导通，称为触发导通。要想关断（不导通），只要电流小于维持电流就行了，去除正向电压也能关断。晶闸管的具体特性： (1) 在阳极和阴极之间外加正向电压,但控制极不加触发电压时,晶闸管一般不会导通。 (2) 晶闸管导通需要同时满足两个条件： (a) 阳极和阴极外加正向电压， (b) 控制极外加一定幅度的正触发电压。 (3) 普通的晶闸管一旦导通，触发信号则失去控制作用，只要阳极、阴极间的正

15、向电压存在，即使控制电压减小到零或反向，晶闸管仍导通。 (4)要使晶闸管从导通变为阻断，必须减小阳极电流,或切断正向电压或加反向电压才成。晶闸管对触发电路的基本要求:1. 触发信号的种类由上可知，晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当反向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。 (1)直流信号 在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通，如图1-1(a)、(b)所示。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在

16、。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。(2)交流信号如图1-1(c)所示，在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压dc，uc，时，晶闸管导通。uc，是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角o。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角(不稳定；改变交流电压u。值来调节的变化范围较小，精度低徊ldc不能太大等。(3)脉冲信号脉冲信号如图1-1(d)(h)所示，其中(d)为尖脉冲；(e)为宽脉冲；(f)为脉冲列；(s)为双脉冲；(

17、h)为强触发脉冲。在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。 图1-1 触发器门极信号2. 晶闸管对门极触发电路的要求晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的，具体如下：(1)触发信号应有足够的功率(电压、电流)这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流值受

18、温度影响会发生变化。例如元件温度为100时，触发电流、电压值比在室温时低2-3倍；元件温度为-40时，触发电流、电压值比在室温时高2-3倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流大小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。(2)触发脉冲信号应有一定的宽度对于电阻性负载，一般晶闸管的导通时间为6 p，故触发脉冲的宽度至少应有6 ps以上，最好应有20-50ps；对于电感性负载，触发脉冲宽度还要加大，否则在脉冲终止时主电路电流还未上

19、升到晶闸管的掣住电流人，将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态，通常触发脉冲宽。由单结晶体管组成的触发电路，具有简单、可靠、触发脉冲前沿陡、抗干扰能力强以及温度补偿性能好等优点，在单相与要求不高的三相晶闸管装置中得到广泛应用。但单结晶体管触发电路只能产生窄脉冲。对于电感较大的负载，由于晶闸管在触发导通时阳极电流上升较慢，在阳极电流还未到达管子掣住电流il时，触发脉冲已经消失，使晶闸管在触发期间导通后又重新关断。所以单结晶体管如不采用脉冲扩宽措施，是不宜触发电感性负载的。为了克服单结晶体管触发电路的缺点，在要求较高、功率较大的晶闸管装置中，大多采用晶体管组成的触发电路，其中最常用的是同步信号为正弦

20、波移相与锯齿波移相触发电路两种。1.3.2 可控硅的相关特性可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个pn 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。（如图1-2） 图1-2 可控硅内部及工作原理图 晶闸管t在工作过程中，它的阳极a和阴极k与电源

21、和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极g和阴极k与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸 管的控制电路。从晶闸管的内部分析工作过程： 晶闸管是四层三端器件，它有j1、j2、j3三个pn结，可以把它中间的np分成两部分，构成一个pnp型三极管和一个npn型三极管的复合管（图1-2）。 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的pn结j2失去阻挡作用。图1-2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设pnp管和npn管的集电极电流相应为ic

22、1和ic2；发射极电流相应为ia和ik；电流放大系数相应为a1=ic1/ia和a2=ic2/ik，设流过j2结的反相漏电电流为ic0。 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： ia=ic1+ic2+ic0 或ia=a1ia+a2ik+ic0 若门极电流为ig,则晶闸管阴极电流为ik=ia+ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为：i=(ic0+iga2)/（1-（a1+a2）（11） 硅pnp管和硅npn管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（11）中，ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流iaic

23、0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极g流入电流ig,由于足够大的ig流经npn管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流ic2流过pnp管的发射结，并提高了pnp管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流ic1流经npn管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）1时，式（11）中的分母1-（a1+a2）0,因此提高了晶闸管的阳极电流ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 式（11）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）0,即使此时门极电流ig=0,晶

24、闸管仍能保持原来的阳极电流ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流ia减小到维持电流ih以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）0时，晶闸管恢复阻断状态。1.3.3 三相移相触发原理移相电路的作用是将信号的相位移动一个角度。其工作原理根据不同的构成而存在差异。如晶闸管电路，可在输入端加入一个控制信号来控制移相大小；在有些电路中则利用阻容电路的延时达到移相；在单片机控制系统还可利用内部定时器达到移相的目的。触发电路根据控制晶闸管的通断状况可分为移相触发与过零触发两类。移相触发就是改变晶闸管每周期导通的起始点即控

25、制角a的大小，以达到改变输出电压、功率的目的；而过零触发是晶闸管在设定的时间间隔内，通过改变导通的周波数来实现电压或功率的控制。三相电路就是每一相位差120度，由交流电供应电源，由于相位差一样，对称性好，对电机及一些大功率电器的运行有很好的稳定性三相交流电彼此相位相差120，因此可用一块单相集成触发电路产生a相可调移相触发脉冲ua，然后以ua作为相位基准，彼此固定移相120后，再分别产生ub,uc两相的移相触发脉冲。用这样的方法就实现了三相交流移相触发。三相移相触发电路可广泛应用在各种控制电路中。具有结构简单，造价较低，性能可靠，对电机及一些大功率电器的运行有很好的稳定性等优点。1.3.4交流

26、力矩电动机的特点交流力矩电动机具有独特的电气性能，当负载增加时，电机的出轴转速能自动的随之降低；负载减少时，电机的出轴转速能自动的随之升高。并且是宽调幅的（从堵转到空转，即转子从不转动到最大异步转速）。即具有较软的机械特性。交流力矩电动机的另一特点是其机械特性近似一直线，且能在转子较长时间堵转（静止）状态下作额定运行。总体说来，交流力矩电动机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。为取得不同性能指标，该种电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大

27、气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高；中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。 1.3.5交流力矩电动机具体结构 电动机分交为流电动机和直流电动机两大类。交流电动机用得较多。交流电动机又分三相式和单相式。三相交流力矩电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛的应用在工农业生产中。三相交流力矩电动机的具体结构： 三相交流力矩电动机主要由定子和转子两大部分组成：1.定子 电动机的静止

28、部分称为定子。它主要由定子铁芯、定子绕组及机座三大部分组成。 （1）定子铁芯定子铁芯是电动机磁路的一部分，为减少涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯一般用03505mm厚，表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装压紧制成。在铁芯的内圆冲有均匀分布的槽用以嵌放定子绕组。 （2）定子绕组三相异步电动机有三个独立的绕组，统称为三相绕组。每相绕组由若干只线圈按一定规律制成。线圈用绝缘铜线绕制。所有线圈有规律地嵌装在定子铁芯的槽中。三相绕组的头和尾都引到电动机接线盒的端子上，可根据需要接成星形或三角形接线。 三相绕组的作用是：当三相绕组通入对称的三相正弦交流电时，在电动机内产生旋转磁场； （3）机座机座是电动机的支架，用它固

29、定定子铁芯、定子绕组和端盖，同时电动机通过机座固定安装在基础上。因此，机座要有足够的机械强度，一般用铸铁制成。封闭式电动机的机座外面有散热片以增加散热面积，防护式电动机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气能通过散热孔直接对流散热。2.转子 转子是电动机的旋转部分。鼠笼式异步电动机的转子一般为铸铝式转子，用离心铸铝法，将熔化了的铝浇铸在转子铁芯槽中成为一个完整体，两端的短路环和风扇叶也一起铸成。另一种结构是铜条转子，即在转子铁芯的槽中放置没有绝缘的铜条。 转子绕组的作用是切割定子磁场，产生感应电动势和电流，并在定子磁场作用下受力而使转子转动。3.其它附件（1）端盖：装在机座的两侧，起支撑

30、转子的作用，一般为铸铁件。（2）轴承：连接转动部分，一般采用滚动轴承以减小摩擦。 （3）轴承端盖：保护轴承，使轴承内的润滑油不致溢出。 （4）风扇：增强电动机散热用。4铭牌 在电动机的机座上都装有块铭牌，铭牌上标出了该电动机的型号及一些主要技术参数，供正确选用电动机和电动机安全可靠运行用。1.3.6交流力矩电动机及其控制器的应用（一）在合金芯线技术上的应用合金芯线技术自七十年代末，八十年代初在国外才刚刚出现。在短短的几十年里，已经得到了广泛的应用。自八十年代末开始，一个应用推广该技术的热潮亦在我国冶金以及军工，机器制造行业形成。众所周知，合金芯线技术之所以发展如此之快，除工艺上所进行的不懈探索

31、之外，生产出性能优良，技术稳定的包芯机，喂线机是该技术得以实施的基础和关键。在国内目前生产的包芯机，喂线机产品中，黑龙江省冶金研究所的产品在各个指标上均名列前茅。这一点，已得到了同行厂家与用户的公认。力矩电动机的应用在冶金产品的技术，性能等方面，起到了举足轻重的作用。（1）在包芯机上的应用包芯机主机机械部分采用了多组成形轮进行顺次弯曲和向前推进滚压的成形方法（其中包括芯线填料，咬口过程）。主机传动系统按成形特性的不同被分成四组，分别通过各自的减速器由四台力矩电机拖动。包出的合金芯线成品由收排线机卷绕在线盘上。收排线机由两台力矩电机拖动，其中一台主拖，另一台排线。有三个问题必须解决：第一，主机必

32、须保证四组成形轮（包括给料机）运行的同步，从而确保成线速度与给料速度的同步；第二，当主机四组传动系统任一组负载超出或不到预定值时，改组能自动调节成线速度，从而避免合金芯线的堆积或拉断；第三，收排线机收线速度必须和主机出线速度保持一致（线圈直径是变量）。如前所述，力矩电机具有独特的电气性能。当负载增加时，其出轴转速能自动随之降低，即具有较软的机械特性且线性度好。该特性恰恰能解决上述第一，第二个问题。关于第三个卷绕问题，随着合金芯线的卷绕，线卷的直径逐渐增大，在这个过程中要求任何时间都能保持均匀的张力，这一点非常重要。因为张力太大会造成线速度太大，并会将芯线直径拉细甚至拉断，合金芯线填料的均匀程度

33、也会受到影响。而张力过小将使卷绕松弛甚至散卷。卷绕时张力变化的主要因素是合金芯线卷绕到线盘时线卷直径的增大，卷绕力矩随线卷直径增大而增加，而主传动的速度是不变的。因此，必须使收排线机线盘转速随线圈直径的增大而降低。力矩电机的机械特性完全能满足上述要求。当然，在常规电气控制方面，我们也采取了同步控制的相关策略；整个系统出线速度由调节各力矩电机控制器决定。（2）在喂线机上的应用力矩电机在喂线机上的应用主要用在其夹持输线装置上。该装置是通过力矩电机和减速及变向机构完成输线轮的上升和下降，从而对待输送的合金芯线或金属线施加或除去夹持力使其被夹持进线，退线或停止。主要是利用力矩电机的软机械特性和堵转特性

34、来实现根据负载情况自动调节夹持力，避免烧毁电机或压裂芯线。解决了采用一般电机增加控制电路也很难解决的问题。在喂线机的放线机拖动上亦完全可以采用力矩电机，以避免芯线散卷。（二）在其它方面的应用（1）用于卷绕方面： 在金属材料，纤维，纸张，塑料，电线电缆，橡胶等的卷绕加工时，卷绕是最后一个工序也是重要的一个工序。随着产品的卷绕，卷筒的直径逐渐增大，在这个过程中要求任何时间都能保持均匀的张力，这一点是十分重要的。因为张力太大会造成产品厚薄不均，线材直径变化，线径拉细甚至拉断；而张力过小将使卷绕松弛。卷绕时张力变化的最大因素，是由于产品卷绕到卷盘时盘径增大，卷绕力矩随卷径增大而增加，而给线速度不变，因

35、而必须令卷盘转速随卷径增加而降低。力矩电机的机械特性完全能够满足上述要求。所以国内用力矩电机代替复杂的机械传动装置与电气自动控制装置。（2）用于开卷（松卷，放线） 既把已成卷的产品松开再加工的场合，力矩电动机可运行在制动状态，以防止材料在开卷过程中时松时紧而影响质量，应该指出，力矩电动机处于制动状态，这时转矩或电流要略高于堵转时数值，即要比堵转状态运行条件还要恶劣。所以应根据实际开卷需要，正确选择某一堵转时间的力矩电机。（3）用于调速电动机的输出转矩正比于电压平方，如负载m1恒定，则通过调压或磁分路结构机械调节等方法可获得任意转速如图1-3交流力矩电动机机械特性图所示。可用简单，可靠，低廉的方

36、法代替原来用普通异步电动机变频电源调速或直流电动机调速方案（但机械特性硬度大不一样）。m0m1nn3 n2 n1u1u2u3 图1-3交流力矩电动机机械特性图（4） 兼用作卷绕和堵转在某些应用场合，如浆纱机的卷绕要求中途停车时纱的张力不变或电缆收卷起始阶段须保持电缆张紧，锻压机的铸件夹持固紧，压铸件上的溶液加压及注塑机加压，皮革，服装机械的短时恒压等，都需要在一段时间内保持静止的力或力矩。力矩电动机适宜此种用途。（5） 用于启闭阀门，闸门和夹紧松开螺栓 力矩电动机启动和堵转力矩大，可以满足这些使用场合的要求“关得紧，打得开”。此外，力矩电机也可利用其能堵转，反转的特点，也用于频繁正，反转的装置

37、或其它类似这些动作的各种机械上等。（6）用于其它用途的伺服执行机构 力矩电机具有线性度较好的机械特性，因此可作为自动控制系统中的伺服机构元件。1.3.7交流力矩电动机的具体介绍交流电机是实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。交流电机按照其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大

38、类。由于电机工作状态的可逆性(见电机),同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。 交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(p)之间有严格的关系： nsf/p在中国，电源频率为50赫，所以二极电机的同步转速为3000转/分，四极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10以内。由此可

39、知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。 近年来的新发展的交流电动机的变频调速电路主要由控制电路和主电路两部分组成。对开关器件的性能要求较低，便于用较小功率的开关器件组成大功率的调速装置；供给电动机的电压波形较好（有害谐波成分低，无尖峰脉冲）；电动机运行时无高频噪声污染，也不存在对电网的高频干扰。 交流电动机变频调速方法其特征在于：利用整流器和滤波器及变压器将三相交流市电

40、整流成极性和大小不同的一组多级直流电压，采用阶梯波来逼近正弦交流电波，并用改变一周内各阶梯相对宽度的方法（阶梯调宽式）来调节有用基波电压的大小，使用三组晶体管开关（或其他开关）将上述多级直流电压按一定的顺序和周期分别与三相电动机的三相定子绕组接通，使三相电动机得到呈阶梯波形的三相交流电供电。用微处理器控制上述三组晶体管开关与各级电压接通的周期以改变对三相电动机供电的频率，并控制上述三组晶体管开关中各开关在一周内接通相应电压的相对时间，以改变对三相电动机供电的有效电压幅度（基波幅度），使三相电动机所得有效电压的幅值与频率成正比变化，满足恒转矩调速的要求。选择上述三组开关的开关模式（开闭规律）使供

41、电给三相电动机的阶梯波电压中的有害谐波成份减至最小，并使该装置在三相电动机的功率因数为以上时可以自然续流。交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施(见单相异步电动机)。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采用单相电机。而在交流电机中，定子接交流电源、容量用轴上输出转矩来标志、且能在转子短时或较长时间堵转（静止）状

42、态下作额定运行的电动机，被称之为交流力矩电动机。其堵转时的力矩被视之为额定力矩。一般说来，就是最大力矩。它们之间的关系可用下式表示：额定力矩=堵转力矩=最大力矩力矩电机的主要特性是当力矩电机拖动的动负载增加时，电机转速会自行降低；动负载减少时，电机转速会自行升高。并且是宽幅的（从堵转到空转，即转子从不转动到最大异步转速）。这种特性称之为软机械特性。力矩电机力矩值单位按照国际标准，用牛顿米(nm)作单位。目前，国内常用公斤米(kgm)或公斤厘米(kgcm)作单位。它们之间的关系如下：1公斤米(kgm)=9.8牛顿米(nm)1公斤米(kgm)=100公斤厘米(kgcm)力矩电机的输出力矩可由下式参

43、考选择:m=f(d/2)(1/ik)其中：m力矩电机的输出力矩（kgm）； f最大卷绕张力（kg）；d满盘时的卷径（m）；i传动减速比；减速装置效率，一般为0.80.9；k折算到堵转力矩的系数。当最低转速n/3时约0.8,2n/3转速时约0.55。输出力矩的选择应和所需相近，避免选择过大。因为过大，如负载较小时，势必根据张力要求将电机输入电压降得很低，而电压过低时，电机机械特性曲线变得较平坦，破坏卷绕精度。一般说来，力矩电机的最佳运行区域为：从输出力矩看，为额定力矩的1/33/4；从轴的转速看，为同步转速的1/32/3。调速时电压要通过实践选择，最好不低于200伏。力矩电机的同步转速，卷径比及

44、电机最佳工作转速范围如下表1-4所示： 表1-4力矩电机工作参数 卷径 转速r/min1500(4极)1000（6极）750（8极）空盘满盘空盘满盘空盘满盘1：210005006663335002501：311253537502505611871：41200300800200600150由表1-4中可见：在其它条件不变时，卷径比值小时的空盘转速高于卷径比值大时的空盘转速，卷径比值小时的满盘转速低于卷径比值大时的满盘转速。并且满盘转速与空盘转速之比值等于卷径比值。力矩电机通过变速机构（齿轮或皮带轮等）后，所传递的转速与力矩的变化规律是：转速增高，力矩值下降；转速降低，力矩值增高。转速与力矩成反比

45、关系。故在卷径比值较（1：4）更小或负载力矩值远大于提供力矩电机的最佳输出力矩时，只要根据实际卷径比值，通过简单计算，选取适当的减速机构即可解决。另外，选减速器应根据实际卷径比值计算所选减速机构平衡，必要时可变更力矩电机极数。总之，力矩电机的选用应遵循两条原则：1.根据负载所需力矩值选用：（1）不通过减速器时，选用的电机的额定（堵转）力矩要比负载力矩大，一般应大于负载力矩的1/3。（2）通过减速器时，选用的电机的额定（堵转）力矩与速比的倒数的乘积要比负载的力矩大，一般也应大于负载力矩的1/3。2.不论是否通过减速器还是选用极数不同的力矩电机，电极的转速应始终在其同步转速的（1/32/3）区间内

46、。力矩电机的额定（堵转）输出功率p2可由下式决定：p=mn0/975； 单位： k(千瓦)其中 m堵转时额定输出力矩，公斤米；n0同步转速，转/分k系数，0.960.99。力矩电机结构型式按外壳防护型式分，有封闭式，防滴式；按冷却方式分，有自冷式，自扇风冷式和通风式；按转子结构分有鼠笼式，实心钢转子式；按力矩大小分，有力矩电机（0.6公斤米以上），微型力矩电机（0.5公斤米以下）。在使用力矩电机拖动卷绕装置时，要根据不同的机械对启动和工作时的电压应当有些增减。根据不同机械和不同使用要求，通过实验调整，摸索其规率。对带有鼓风机的力矩电动机，须保证进风口畅通，鼓风机的旋转方向和所标示的方向一致，否

47、则得不到良好的冷却。为了更好的使力矩电机适应低速下的工作，使用过程中（包括工序停车时间），鼓风机必须常开。如电极停止运行，鼓风机应延续一段时间。力矩电机，尤其是容量较大的电动机，经常运行在低速下，发热比较厉害。从通风口排出的气体温度很高，甚至吹出烟雾来。这是漆和轴里的油滴到高温的转子导条上所致，等到油漆烧去后会自行消失。力矩电机在使用过程中，应注意清洁，防潮，防止杂物进入内部。要定期清理，存放时，应吹净内部灰尘，并检查零部件是否完好。在鼓风机进风口和电极前端盖出风口处应包好，防止灰尘，虫鼠侵入。第二章 交流力矩电动机调速系统设计方案2.1三相移相触发原理设计方案晶闸管最重要的特性是正向导通的可

48、控性。为晶闸管的门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路，它决定每个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管最重要的部分。正确设计选用触发电路，可以充分发挥晶闸管及其装置的潜力，保证安全可靠的工作。所以，三相交流调压电路的设计主要是晶闸管三相交流移相触发电路的设计。晶闸管装置的正常工作，与门极触发电路正确和可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按照主电路的要求来设计。为获得晶闸管装置负载的某些特性，往往通过门极触发电路实行各种要求的反馈控制。现对单相整流触发电路的基本单元进行讨论。对于晶闸管变流装置主电路，都可提出如下的门极触发电路一般要求：（1）触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要

49、求的数值，并留有一定的裕量。 （2）触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。 （3）触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，并且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。 （4）触发脉冲的波形要符合要求，例如对电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般达50hz的18。对于多个晶闸管作串并联运用时，为改善均压与均流，脉冲的前沿陡度希望略大一些。 具体的触发电路种类较多，简易的有阻容移想触发电路、单结晶体管触发电路等。以往采用晶闸管的三相交流调压电路都是采用分立元件组成，可靠性太低，价格较贵，还有引起干扰等缺陷，因而影响了它的推广应用。随着晶闸管变流技术的发展，国内已能够生产kj(

50、kc)系列集成电路触发器十几个品种。由于采用集成触发器，提高了触发电路的工作可靠性，缩小了体积，大大简化了触发电路的生产与调试。所以，设计三相移相触发电路时器件类型的选择，首选方案是采用国产集成触发器,而单结晶体管等分立元件触发电路已被淘汰。触发脉冲成形集成电路触发器ua同步电压控制电压集成电路触发器ub同步电压控制电压隔离uga触发脉冲成形隔离ugbuc同步电压控制电压集成电路触发器触发脉冲成形隔离ugc 图2-1 三相移相触发原理框图kj(kc)系列集成电路触发器都是做成单相移相触发的，目前尚未有单片三相集成电路触发器生产。三相交流移相触发电路的原理方框图如图2-1所示，它由三片单相kj或

51、kc系列集成触发电路组成，并专门由三相同步变压器或三只单相同步变压器为其提供三相三路同步电压。三路控制电压分别控制每相触发脉冲在一定范围内移相。由于力矩电动机是电感性负载，而kj(kc)系列集成电路只能产生触发脉冲宽度为100s2ms的窄脉冲，所以还要有触发脉冲形成电路，形成宽脉冲或双窄脉冲，才能保持晶闸管可靠工作。为了实现强电与弱电的隔离与抑制干扰，最后还须用光耦合器或脉冲变压器组成隔离电路，把移相触发脉冲分别送至三相各自对应的晶闸管门极。从图2-1可以看出，这种线路比较复杂，整机可靠性低，成本较高。kj系列集成触发器的价格为十几元一只，三只同步变压器价格也较高，体积又大。实现三路215v的

52、控制电压以及+15v直流电源供电的共用等，具体线路即复杂又比较麻烦。2.2改进后的三相移相触发原理设计方案所以，我们对上述方案作了进一步的分析与改进，得出了另一种新的设计方法。新的三相移相触发原理方框图如图2-2所示。三相交流电是频率相同，振幅相同，彼此相位相差120的一组电压，相应的向量表达式为：a=up0b=up-120c=up120ua 同步电压 控制电压集成电路触发器触发脉冲成形隔离ugau120移相成形隔离ugb120移向成形ugc隔离 图2-2 新的三相移相触发原理框图可见新方法就是根据三相交流电彼此相位相差120的原理设计的。从图2-2可看出，只要用一块单相集成触发电路产生a相可

53、调移相触发脉冲a，再以a作为相位（时间）基准，彼此固定移相120后，再分别产生b,c两相的移相触发脉冲。这样就实现了三相交流移相触发。比较图2-1与图2-2可看出，新的三相移相触发方案仅需要一块kj(kc)系列集成触发电路，一个同步电压源，一个外接+15v电源，一个移相控制电压源。避免了图2-1方案中电压共用等麻烦，全机仅用一只单相电源变压器就可提供所有需要的各种电压（包括同步电压，光耦电源）。图2-2中多用了两个120固定移相电路。120固定移相可以用ne555时基集成电路来实现，而ne555时基集成电路仅一元多钱一只。新的三相交流移相触发电路结构明显简化，可全部采用集成化电路，令三相交流力

54、矩调节器的性价比明显提高。2.3工作原理及主要元器件新的三相交流移相触发电路实例如图2-3所示，我们仅采用kj006移相触发集成电路ic1一只。该电路具有锯齿波线形好，移相范围宽，控制方式简单，有失交保护，输出电流大等优点，它是交流调压的理想集成电路。全机（包括kj006）都采用+15v直流稳压电源供电；同步电压取自a相电源变压器的次极。r1为同步限流电阻，其阻值的计算可按下式确定：r1=交流同步电压1000/34 （）锯齿波的斜率由5脚的外接电阻r5和c2的数值决定。触发脉冲宽度由r3和c1的数值决定。w1电位器改变6脚的直流电位，即控制电压用于调节移相范围。w1串接r6与r7是为了限制控制移相的范围。kj006由9脚输出a相可调移相触发脉冲。a相的可调移相触发脉冲经r8，c3微分后，分别送到ne555的2脚去触发ic2与ic4。ic2,ic3,ic4,ic5,ic6都是由 ne555时基集成电路组成的单稳态电路，在预定时间范围内给出不同的输出，作为自动定时控制。每个定时器3脚输出的脉冲延时