第4节控 制用电机

1、船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6.1 伺服电动机伺服电动机6.2 测速发电机测速发电机 6.3 自整角机自整角机 6.4 步进电动机步进电动机 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室控制电机主要用于自动控制系统中作为控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件。其任务检测、比较、放大和执行元件。其任务是转换和传递控制信号。是转换和传递控制信号。本章将介绍几种常用的控制电机：伺服本章将介绍几种常用的控制电机：伺服电动机，测速发电机，自整角机和步进电动机，测速

2、发电机，自整角机和步进电动机。电动机。 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电动机，动机，又称执行电动机。又称执行电动机。按电流种类分，按电流种类分，伺伺服电动机分为交流和直流两种。服电动机分为交流和直流两种。6.1 伺服电动机伺服电动机船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室原理原理与两相交流异与两相交流异步电机相同，定子步电机相

3、同，定子上装有两个绕组上装有两个绕组 励磁绕组和控励磁绕组和控制绕组，在空间相制绕组，在空间相隔隔9090 。6.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。的目的是为了产生两相旋转磁场。励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2IU船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教

4、研室适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。转动起来。 1UCU1I1U例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。关系如图所示。励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2

5、IU 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相位差近的相位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。子转动起来。1I2I控制电压控制电压 与与电源电压电源电压 两两者频率相同，相者频率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（1）U2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止。这时，虽然这时，虽然U2 = =0V，U1仍存在，似乎成单相运行状态，但仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。和单相异步机不同

6、。若单相电机启动运行后，出现单相后若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以在设计得较大。所以在U2=0时，交时，交流伺服电机的流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图：曲线如下页图：船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T 、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步

7、机不同。合成转矩的方与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，时，能立即停止，体现了控制信号的作用体现了控制信号的作用( (有控制电压时转动，无控制电压有控制电压时转动，无控制电压时不转时不转) )，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（3 3）控制电压）控制电压 U U2 2 大小变化时，转子转速相应变化，转

8、速与电大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压压 U U2 2 成正比。成正比。U U2 2 的极性改变时，转子的转向改变。的极性改变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机交流伺服电机 R2 2设计得较大，使设计得较大，使Sm m1，Tstst大，启动迅速，大，启动迅速，稳定运行范围大。稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U( U1 1=const )=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输

9、出功率一般为0.1-100 W0.1-100 W，电源频率，电源频率分分50Hz50Hz、400Hz400Hz等多种。它的应用很广泛，如用等多种。它的应用很广泛，如用在自动控在自动控制、温度自动记录等系统中。制、温度自动记录等系统中。应用应用船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相同。与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源

10、供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。6.1.1直流伺服电动机直流伺服电动机船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：TKKRKUnTEaE22船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室由机械特性可知：由机械特性可知：(1)(1)U1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2 , ,n 。(2)(2)U2=0时，电

11、机立即停转。时，电机立即停转。反转：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。电枢电压的极性改变，电机反转。机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。很多，如随动系统中的位置控制等。应用：应用：船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮

12、机学院电气及自动化教研室测速发电机有交流和直流两种。测速发电机有交流和直流两种。测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的发电机。发电机。它的定子上有两个绕它的定子上有两个绕组，一个作励磁用，组，一个作励磁用，称为励磁绕组称为励磁绕组1；另一；另一个输出电压，称为输个输出电压，称为输出绕组出绕组2，两个绕组的，两个绕组的轴线互相垂直。轴线互相垂直。6.2 测速发电机测速发电机 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当发电机静止时，输出电压为零。当发电机静止时，输出电压为零。当测速

13、发电机由被测转轴带动而旋转时，输出绕组当测速发电机由被测转轴带动而旋转时，输出绕组2就有电就有电压输出。的频率与电源电压的频率相同，它的大小与发电压输出。的频率与电源电压的频率相同，它的大小与发电机的转速机的转速n成正比。成正比。 转子中感应出电动势和相应的转子电流与磁通及转速转子中感应出电动势和相应的转子电流与磁通及转速n成正成正比，比， UNf111 1444 .IEnrr1 转子电流也要产生磁通，两者也成正比，即转子电流也要产生磁通，两者也成正比，即 rrI船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室磁通与输出绕组的轴线一致，因而在其中

14、感应出电动势，磁通与输出绕组的轴线一致，因而在其中感应出电动势，两端就有一个输出电压。正比于，即两端就有一个输出电压。正比于，即Ur2 UnU n211船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，转子是三相的。转子是三相的。在应用中，在应用中，自整角机总是成对使用自整角机总是成对使用，一个作为，一个作为发送发送，一个，一个作为作为接收接收。由于使

15、用上的不同，有。由于使用上的不同，有控制式和力矩式两种。控制式和力矩式两种。6.3 自整角机自整角机 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6.3.1 控制式自整角机控制式自整角机控制式自整角机又称为控制式自整角机又称为变压器式自整角机变压器式自整角机。发送机的转子绕组作。发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出为励磁绕组接在固定交流电源上。接收机的转子绕组则作为输出绕组，其输出电压的大小和相位与失调角绕组，其输出电压的大小和相位与失调角 = 有关。有关。由于发送机励磁绕组的脉动磁由于发送机励磁绕组的脉

16、动磁通在定子三相绕组中感应有电通在定子三相绕组中感应有电动势，而接收机定子三相绕组动势，而接收机定子三相绕组中却没有感应电动势，所以在中却没有感应电动势，所以在定子三相回路中总是有电流通定子三相回路中总是有电流通过。这三个电流过。这三个电流I1，I2和和 I3流经流经接收机的定子绕组，便在接收接收机的定子绕组，便在接收机的转子绕组中感应出电压。机的转子绕组中感应出电压。船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置理论上可以证明，假若事先将两个转子的相对轴位置置成置成900，那么，接收机转子单相绕组

17、的输出电压，那么，接收机转子单相绕组的输出电压U2的大小和相位与失调角的大小和相位与失调角 = 有关。它们的关系是有关。它们的关系是UUm2sinUm为输出电压最大值为输出电压最大值 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其功能是同步传递角度其功能是同步传递角度 6.3.2 力矩式自整角机力矩式自整角机发送机发送机 接受机接受机在发送机中，这三个电动势在发送机中，这三个电动势分别为分别为 ， 和和 。在接。在接收机中，分别为收机中，分别为 ， 和和 。Es1Es3Es2Es2Es31 sE船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机

18、学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当两转子具有相同位置时当两转子具有相同位置时，即，即 时，时， 。因而不产生电流，也没有电磁转。因而不产生电流，也没有电磁转矩，矩，两电机静止不动两电机静止不动。 ,11ssEE,22ssEE33ssEE当发送机的转子转动一个角度后，当发送机的转子转动一个角度后， 。两电机。两电机 绕绕组中的各相电动势不再平衡，因而产生电流，在磁场组中的各相电动势不再平衡，因而产生电流，在磁场的将产生转矩。总是力图使两转子的位置趋向一致。的将产生转矩。总是力图使两转子的位置趋向一致。接收机的转子在转矩的作用下产生了随动动作，直接收机的转子在转矩的作用下产生了随动

19、动作，直至至 ，实现了转角随动的作用实现了转角随动的作用。 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室应用实例应用实例 舵角指示器示意图 自整角机传令钟 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室机理：机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。度，带动机械移动一小段距离。特点：特点：(1)(1)来一个脉冲，转一

20、个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。6.4 步进电动机步进电动机 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室种类种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。子上没有励磁线圈。1 定子铁心定子铁心 , 2 定子控制绕组定子控制绕组, 3转自铁心转自铁心 船舶电

21、气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1. 结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室定子的六个磁极上定子的六个磁极上有控制绕组，两个有控制绕组，两个相对的磁极组成一相对的磁极

22、组成一相。相。注意：注意：这里的相这里的相和三相交流电中和三相交流电中的的“相相”的概念的概念不同。步进机通不同。步进机通的是直流电脉冲，的是直流电脉冲，这主要是指线图这主要是指线图的联接和组数的的联接和组数的区别。区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2. 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。一一. . 三相单三拍三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2

23、 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室（3）工作过程）工作过程A 相通电，相通电，A 方向的磁通经转子形成方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁子被磁化，吸引转子，使转子的位置化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子

24、的齿对齐停止转动。定子的齿对齐停止转动。A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A A相通电位置转相通电位置转3030 ；C相通电再转相通电再转3030 。1C342CABBA船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三

25、相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过每来一个电脉冲，转子转过 3030 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）

26、A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226船舶电气设备

27、及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 3 （2 2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/31/3个个 齿（齿（3 3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速

28、36060sfn步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲, ,转子转过的角度转子转过的角度, ,称为步距角。称为步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数转子齿数mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 时时3340360S步距角步距角船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 2021-12-1课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其功能是同步其功能是同步传递传递角度角度 从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定从结构上讲，自整角机有两种形式。一种形式是：定子是三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是子是三相的，转子是单相的；另一种形式是：定子是单相的，转子是三相的。单相的，转子是三相的。在应用中，在应用中，自整角机自整角机总是成对使用总是成对使用，一个作为，一个作为发送发送，一，一个作为个作为接收接收。由于使用上的不同，有。由于使用上的不同，有力矩式和控制式力矩式和控制式两种。两种。一一.力矩式自整角机力矩式自整角机在发送机中，这三个电动势在发送机中，这三个电动势分别为分别为 ， 和和 。在接。在接收机中，分别为收机中，分别为 ， 和和 。Es1Es1Es3Es2