第1章电机与拖动基础

机电传动控制 电控技术就是电气传动控制技术、现在也叫机电传动控制。它的主要内容就是研究各类电动机及其控制。 本电子教案将主要介绍电机与拖动基础知识；机电传动控制中最常用继电器-接触器控制、PLC控制、步进电机控制、交直流调速控制、伺服驱动控制等授课内容。第1章电机及拖动基础

1.1交流异步电动机

1.2直流电动机的工作原理和运行特性

1.3伺服控制电动机的工作原理和运行特性

1.4力矩电动机

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1.5微型同步电动机1.1交流异步电动机

交流异步电动机按照转子的结构型式分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型异步电动机因具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、转子惯量小、运行可靠等优点，在工农业生产中得到了极其广泛的应用。绕线式异步电动机因其转子采用绕线方式，具有调速简单、成本低的优点，在吊车、卷扬机等中小设备中得到了广泛的应用。

1.异步电动机的工作原理： 图1-1是一台三相异步电动机，它主要由定子、转子两大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。图1-1三相异步电动机的结构图1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-散热筋；

5-定子铁心；6-定子绕组；7-转轴；

8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座笼型异步电动机的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状象个笼子，如图1-2所示，因此叫笼型转子。对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如图1-3所示。

图1-2三相异步电动机的结构图a）笼型绕组；b）转子外形图1-3绕线式异步电动机定转子绕组及外加电阻的接线方式2.

异步电动机的简单工作原理：

如图1-4所示。当定子接三相电源后，电动机内便形成圆形旋转磁场。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁场有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时。电流方向同电动势方向。转子受力，产生转矩T，即为电磁转矩，方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转起来。图1-4异步电动机的工作原理

3.异步电动机的铭牌数据： 铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助我们正确地选择、使用和维护它。图1-5是我国使用最多的Y系列三相感应电动机铭牌的—个实例。图1-5Y系列三相感应电动机铭牌

图1-6异步电动机型号额定功率PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位为kW；额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压．单位为V；额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时的线电流，单位为A；额定频率fN我国规定工业用电的频率是50Hz，国外有些国家采用60Hz。额定转速nN指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电动机的转速，单位为r／min。可以根据额定转速与额定频率计算出电动机的极数P和额定转差率SN。

噪声值(LW)指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。工作制式指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制。绝缘等级绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它与电动机允许工作的最高温度有关，共分A、E、D、F、H五种等级。连接方法有如图1-7所示的Y/△两种方式。请注意有些电动机只能固定一种接法，有些电动机可以两种切换工作。但是要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用丫接线，只合三根引出线。对中、小容量低压异步电动机.图1-7三相异步电动机的引出线

a)出线端的排列b)丫连接c)△连接通常把定于三相绕组的六根出线头都引出来。根据需要可接成Y型或△型，如图1-8所示Y/△降压起动、起动过程用丫连接(KM1闭合，KM2断开)，起动过程结束后切换为△连接(KM2闭合，KM1断开)。防护等级IP为防护代号，第一位数字(0～6)规定了电动机防护体的等级标准。第二位数字(0～8)规定了电动机防水的等级标淮。如IP00为无防护，数字越大，防护等级越高。共他对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流．有些还标明了电动机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。图1-8Y/△降压起动的接线图

4.三相异步电动机的机械特性： 在异步电动机中，电动机电磁转矩T与转差s的关系T＝f(s)通常叫做T-s曲线。为了符合习惯画法。可将T-s曲线转换成转速n与转矩T之间的关系曲线n＝f(T)，称为异步电动机的机械特性。分为固有机械特性和人为机械特性。固有机械特性

异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有(自然)机械特性，如图1-9所示。曲线1为电源正相序时的固有机械特性；曲线2为负相序时的曲线。图1-9电动机的固有机械特性

人为机械持性

异步电动机的机械特性除与电动机的参数有关外，还与外加定子电压Ul、定子电源频率fl、定子或者转子电路中串入的电阻或电抗等有关，将这些参数人为地加以改变而获得的机械特性称为异步电动机的人为机械特性。图1-9改变定子电源频率时的人为机械特性

图1-10转子电路串电阻的人为机械特性

图1-11改变电源电压时人为机械特性

图1-12定子电路外接电阻或电抗时的人为机械特性

5.

异步电动机一般调速方法：

异步电动机实际转速n与电动机输人定子电源频率转差率s和电动机磁极对数P的关系式为：n=60*f1/P*（1-s）。可以看出，异步电动机的调速可通过改变磁极对数P、调节转差率s、及改变定子频率f1三种方式。常用的异步电动机调速方法及其比较如下表所示，由表中的对比可以看出，PWM变频调速是最理想的调速方式。下图为常用的异步电动机调速方法及其比较表：

1.2直流电动机的工作原理和运行特性

直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。1.直流电动机的基本工作原理

： 直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础上的。图1-13为直流电动机的基本构成图。 它主要由磁极、电枢、电刷及换向片(又称整流子或转换器)等三大部分构成。 N、S两个磁极在工作时固定不动，故又称定子。定子磁极用于产个主磁场。在永磁式直流电动机中(一般为小功率的直流电动机)，磁极采用永磁材料制成。充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流电动机中，磁极由冲压的硅钢片迭加而成；外绕励磁线圈，由外加励磁电流才能产生磁场。在磁极的内側有一个安装在轴承上可以转动的铁心。图1-13直流电动机的基本构成团

图1-14直流电动机的截面图1-主极；2-励磁绕组；3-附加极；4附加极绕组；5-极掌；6-极心；7-电枢；8-通份槽；

9-电枢绕组；10-空气隙；11-轭2.直流自动调速系统的分类

： 按照直流自动调速系统中使用的直流电动机的种类不同，可分为普通直流电动机的调速系统和控制用直流伺服电动机的调速系统。 按照电动机调速控制系统有无反馈环节，可分为开环(手动)调速系统和闭环(自动)调速系统；在闭环调速系统中，又可分为单闭环调速系统和双闭环调速系统。 按照调速系统中采用的电力电子器件的不同，可分为晶闸管-电动机直流自动调速系统、晶体管-电动机直流自动调速系统和集成电路-电动机直流自动调速系统。3.直流电动机的一般调速方法

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在直流电动机中，根据励磁绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四类电动机、而在调速系统中用得最多的是他励电动机。图1-15为直流他励电动机与直流并励电动机的原理图。图1-15直流他励电动机与直流并励电动机的原理图

3.直流电动机的一般调速方法有三种：

调节串入电枢回路的外加电阻Rad，(调阻调速法或电阻控制法)调节电动机的电枢供电电压U(调压调速法或电压控制法)调节电动机的主磁通Φ(调磁调速法或励磁控制法)图1-16具有三段附加电组的他励电动机控制电路

图1-17改变电枢电压调速的特性图1-18弱磁调速的特性

1.3伺服控制电动机的工作原理和运行特性

1.3.1步进电动机的工作原理和运行特性:

步进电动机的输入电源是一种脉冲电压，有一个输入脉冲，电动机转过一个固定角度。它是一种“一步一步”地转动的电动机，其转过的角度与输入的电脉冲个数严格地成比例，故因此而得名。改变输入其脉冲的频率，就可以在很广的范围内平滑连续地调整输出转速。它还是目前唯一能进行开环控制的执行电器，广泛用于简易经济性数控装置的改造和设计中。1.步进电动机的分类

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反应式转子用高导磁系数的材料制造，做成齿型，无线圈，靠定子和转子之间的感应电磁力产生力矩并维持相互间的位置。永磁式转子用永久磁钢制成，产生转矩时兼有吸引力和排斥力。在无励磁情况下能保持转矩，每步转角不能做得很小。混合式转子由永久磁钢制成，同时也做成齿状；定子也与反应式定子相似。它具有反应式和永磁式两种方式的优点，但结构复杂。

2.反应式步进电动机的工作原理：

步进电动机由定子和转子组成，定子上的磁极和转子都有齿，定子磁极上的磁宽和磁槽必须和转子上的磁宽和磁槽相等。图1-19为径向反应式步进电动机结构原理示意图，它的定子上有6个磁极，极距角为60°、每图1-19径向反应式步近电动机结构原理示意图个磁极都看作是一个齿。每个磁极上都装有控制绕组，形成A、B、C三相绕。图1-19径向反应式步近电动机结构原理示意图

3．混台式步进电动机工作原理

： 混合式步进电动机由定子和转子组成。定于铁心与反应式步进电动机相同，每个极上有小齿和控制绕组。转子的结构与水久磁钢的电磁减速式同步电动机相同。以两相混合式步进电动机为例，其结构原理如图1-20所示。 转子为对称的两段磁钢，轴向充电后，—段是N极，另一段是S极。定子对应转子也分两段，但实际上按一段处理，两段定子铁心上装有同一个两相对称控制绕组，如图1-20b所示。图1-20混合式步进电动机结构原理图a)S极性转子径向剖面图b)轴向视图c)N极性转子段径向剖面图图1-21两相绕组接线图

4.步进电动机的主要特性

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步距角及步距误差静态矩角特性和最大静转矩最大起动转矩最大起动频率连续运行频率图1-22步进电动机距角特性

图1-23步进电动机最大起动转矩

1.3.2伺服电动机：

伺服电动机把输入的信号电压变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小而改变，并正能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为执行元件。伺服电动机又称为执行电动机。 伺服电动机有直流和交流两大类。1.单相异步电动机： 单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机。单相异步电机的运行原理和三相异步电机基本相同，但有其自身的特点。单相异步电动机通常在定子上有两相绕组，转子是普通笼型的。根据定子两个绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，可以产生不同的起动待性和运行待性。单相电阻分相起动异步电动机；单相电容分相起动异步电动机；单相电容运转异步电动机；单相电容起动与运转异步电动机单相罩极式异步电动机。一般单相异步电动机有以下几种类型：

相定子绕组通电时的机械特性

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单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副绕组a，它们一般是在空间上相差90°电角度的两个分布绕组，通电时产生空间正弦分布的空间磁通势。首先分析只有一相绕组通电时的机械特性. 单相异步电机中，笼型转子在正转磁通势或反转磁通势分别作用下受的电磁转矩T+或T-，与笼型转子在三相异步电动机正向旋转磁通势(电源相序为正)或反向旋转磁通势(电源相序为负)分别作用下受的电磁转矩是完全一样的，T+＝f(s)与T-＝f(s)两条转矩特性如图1-24所示。图1-24主绕组通电时的机械特性曲线

两相绕组通电时的机械特性：

当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通入不同相位的两相交流电流时,—般情况下产生椭圆旋转磁通势F。一个椭圆旋转磁通势也可以分成两个旋转磁通势,—个是正转磁通势F+，一个是反转磁通势F-，F+≠F-。笼型转子在F+作用下产生电磁转矩T+，T+＝f(s)为正向转矩特性。在F-作用下，产生电磁转矩T-＝f(s)为反向转矩特性。这样合成转矩特性T＝f(s)，即机械特性为不过坐标原点的一条曲线。当T+＞T-时，电动机的T＝f(s)、T+＝f(s)、T-＝f(s三条曲线如图1-25所示。图1-25单相异步电动机的起动特性

各种类型的单相异步电动机：

图1-26单相电阻分相起动异步电动机接线图和矢量图

图1-27单相电容分州起动异步电动机接线图和矢量图

图1-29单相电容运转异步电动机

图1-30单相电容起动与运转异步电动机

图1-31单相罩极式异步电动机的结构及矢量图

2直流伺服电动机

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直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，其约构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极是永久磁铁；另—种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组。图1-32直流伺服电动机的特件a)机械特性b)调节特性3交流伺服电动机

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交流伺服电动机就是两相异步电动机，它的定子上有空间相差90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕组f，一相为控制绕组K，转子为笼形。交流伺服机必须象直流伺服机一样具有伺服性。为了满足信号电压强时转速高、信号电压弱时转速低这一要求，可以让信号强时电机气隙磁通势接近圆形旋转磁通势，弱时椭圆度大接近脉振磁通势就行。而对于要求信号电压消失，即UK＝0后，电动机不转必须采用相应技术措施才能实现。图1-33交流伺服电动机自转现象的避免

交流伺服电动机利用控制信号电压UK的大小和相位的变化，控制转速随之变化.改变UK的大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。图1-34交流伺服电动机帽值控制(a)控制接线图(b)Ff最大瞬间图1-35幅值控制时的机械特性与调节特性(a)机械特性(b)调节特性

图1-36相位控制图1-37幅值-相位控制

1.4力矩电动机

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力矩电动机是一种把伺服电动机和驱动电动机结合而发展成的一种电动机，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号电压的直接控制进行转速调节。在自动控制系统中作为执行元件。图1-38直流力矩电动机

a）分装式b）内装式

1.5微型同步电动机

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微型同步电动机与交流同步电动机一样，转子转速恒为同步转速n0，使用在转速要求恒定的装置中．例如电唱机、录音机、电视设备、电钟、时