电机与拖动基础7

第七章控制电机

控制电机（交、直流伺服电动机、交、直流测速发电机、自整角机、旋转变压器）的结构、工作原理与运行特性。

控制电机：在电力拖动系统中以完成信号的转换和传递为目的，如测速发电机、自整角机以及旋转变压器等。伺服电动机定义：伺服电动机是一种把输入控制信号转变为角位移或角速度输出的电动机。

分类：交流伺服电动机结构特点：定子两相绕组空间互成。一相绕组作为激磁绕组，直接接至单相交流电源上；另一相作为控制绕组，其输入为控制电压。a、对交流伺服电动机的特殊要求与普通异步电动机不同,交流伺服电动机需满足:（1）机械特性为线性；（2）控制信号消失后转子无“自转”现象。

（1）对于普通异步电动机，其机械特性如图示中的曲线1所示。显然，在整个电动机运行范围内，其机械特性不是转矩的单值函数。异步电动机的机械特性说明如下：转子电阻较大，确保线性的机械特性交流伺服电动机

为了满足交流伺服电动机线性机械特性的要求，通常的做法是：加大转子电阻，以使得产生最大电磁转矩时的转差率。相应的交流伺服电动机的机械特性如图示中的曲线2所示。显然，电动机的机械特性在整个调速范围（）内接近线性。（2）控制信号消失后转子无“自转”现象是指：伺服电动机在控制信号为零时，能够自行停车。

图示给出了普通驱动异步电动机一相绕组通电时的机械特性，此时转子电阻较小。图a同时给出了两相绕组交流伺服电动机一相通电（即控制电压为零）且转子电阻较大时的机械特性。

两相交流异步电动机一相供电时的机械特性交流伺服电动机的转子电阻足够大普通交流电动机转子电阻较小普通交流电动机转子电阻增加

由图a可见：对于普通异步电动机，若一相绕组通电时（相当于控制电压为零），由于转子电阻较小，正转运行中的电动机仍存在正向电磁转矩；对于交流伺服电动机，若控制电压为零，由于转子电阻较大，则正转运行中的电动机仍存在负向电磁转矩，因而控制电压消失后转子不会”自转“。结论：与一般异步电动机相比，两相交流伺服电动机的转子电阻较大，因而其机械特性在整个调速范围内接近线性，且一相绕组通电（即控制电压为零）时转子无“自转”现象发生。b、控制方式与运行特性在保持励磁电压不变的条件下，交流伺服电动机的控制方式：幅值控制相位控制幅-相控制（1）幅值控制时的运行特性（3）幅-相控制时的运行特性交流伺服电动机幅-相控制时的接线图

采用幅-相控制时交流伺服电动机的机械特性如图a所示，相应的调节特性同样可以由相应的机械特性获得，如图b所示。

交流伺服电动机幅-相控制时的机械特性与调节特性伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机主要采用两种控制方式：（1）电枢控制方式；（2）磁场控制。

电枢控制是将定子绕组作为励磁绕组、电枢绕组作为控制绕组的一种控制方式。

设控制电压为，主磁通保持不变，忽略电枢反应，则直流伺服电动机的机械特性为：

根据上式，便可以分别获得直流伺服电动机的机械特性和调节特性。a、机械特性定义：在控制电压一定的条件下，转子转速与电磁转矩之间的关系曲线定义为机械特性。

根据式，绘出不同控制电压下的机械特性的图示。直流伺服电动机的机械特性b、调节特性定义：在负载转矩保持不变的条件下，转子转速与控制电压之间的关系曲线定义为调节特性。

根据式，便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图示。直流伺服电动机的调节特性

始动电压的概念：

直流伺服电动机的调节特性与横坐标的交点称为一定负载转矩下电动机的始动电压。

显然，对于一定大小的负载，直流伺服电动机存在着死区（或失灵区），死区的大小与负载转矩成正比。2、磁场控制时直流伺服电动机的特性磁场控制线路图磁场控制时的机械特性磁场控制时的调节特性测速发电机定义：测速发电机是一种把机械转速按比例转换为电压信号的控制电机。分类：直流测速发电机交流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机的工作原理

直流测速发电机的工作原理与一般他励直流发电机相同，由励磁绕组通电产生恒定磁场，电枢绕组在外力拖动下切割磁力线感应电势，其大小为：

空载时，，即输出电压与转速成正比。

负载后，若负载电阻为，则正、负电刷之间的输出电压为：

并整理得：

上式表明，若、和不变，则输出电压与转速成正比。

根据式，便可以绘出一定负载电阻（=常数）下直流测速发电机的输出特性曲线，如图所示。结论：

从信号转换角度看，直流测速发电机与直流伺服电动机是一对互为可逆的电机。

直流伺服电动机将直流电压信号转变为转速信号，而直流测速发电机则将速度信号转变为直流电压信号。直流测速发电机的输出特性

图示为空心杯转子异步测速发电机的结构示意图。测速发电机的工作原理示意图。交流测速发电机结构特点：定子采用空间互差的两相分布绕组组成。其中，一相绕组为激磁绕组，另一相为输出绕组。转子采用空心杯结构。为减小主磁路的磁阻，空心杯转子内部还有一个由硅钢片叠压而成的内定子定子铁心。1—空心杯转子2—定子3—内定子4—机壳5—端盖

当转子静止（）时，直轴脉振磁通交变，在空心杯转子直轴绕组中感应变压器电势、直轴电流以及转子直轴磁势，如图a所示。考虑到输出绕组的轴线（q轴）与d轴相互垂直，因而输出绕组不会与直轴磁通相匝链而感应电势，相应的输出电压。

当转子旋转后（），除了在空心杯转子直轴绕组中感应变压器电势和电流外，转子交轴绕组由于切割直轴磁通而产生速度电势。根据右手定则，的大小为：交流测速发电机的工作原理：

在的作用下，转子绕组将产生q轴电流和脉振磁势。考虑到转子电阻远远大于转子漏抗，因而转子q轴电流与基本同相。q轴电流沿q轴方向建立磁势和相应的磁通。沿q轴方向交变，并在定子输出绕组上感应电势，其有效值为：忽略铁心饱和，有：最终，可得：

上式表明：在外加激磁电压一定的条件下，直轴磁通保持不变，则交流测速发电机的输出电势（或输出电压）与转速n成正比。即通过测量输出电压便可以检测转速信号。结论：交流异步测速发电机与交流伺服电动机可以看作为是一对互为可逆的电机。

交流伺服电动机是由控制绕组输入电压信号，通过电动机将电压输入信号转变为转速信号在机械轴上输出；而交流异步测速发电机则是由外力拖动转轴旋转，通过发电机将转速信号转变为与转速成正比的电压信号在定子输出绕组（相当于交流伺服电动机的控制绕组）中输出。自整角机定义：自整角机是一种对角位移偏差具有自整步能力的控制电机。一般情况下，自整角机是成对使用的，一台作为发送机使用，另一台作为接收机使用。通过发送机将转角转换为电信号，然后再由接收机将电信号转变为转角或电信号输出，从而实现角度的远距离传输或转换。结构特点：转子采用单相交流激磁绕组，嵌入到凸极或隐极式转子铁心中，并通过转子滑环和电刷引出；定子采用三相对称分布绕组（又称为整步绕组）。三相整步绕组接成星形，并通过出线端引出。分类：力矩式自整角机：其输出是转角；控制式自整角机：其输出是电压信号。自整角机基本结构示意图基本结构力矩式自整角机的工作原理图失调角的概念：将同步绕组轴线与激磁绕组轴线之间的夹角作为转子的位置角。两自整角机转子位置角偏差称为失调角，即：。协调位置的概念：当失调角为零（即两台自整角机转子位置角相同）时，各相同步绕组中的定子电流（又称为均衡电流）为零，相应的电磁转矩也为零，此时转子的位置称为协调位置。几个术语：

力矩式自整角机转子整步转矩的概念与力矩式自整角机的工作原理：当发送机转子逆时针转过一个角度后，两自整角机转子之间将存在一个失调角。于是，发送和接收机同步绕组中所感应的线电势将不再相等，两绕组之间便有均衡电流流过。均衡电流与两转子激磁绕组所建立的磁场相互作用便产生电磁转矩（又称为整步转矩）。整步转矩力图使失调角趋向于零。于是，接收机转子将跟随发送机转子转过角，从而使两转子的转角又保持一致，力矩式自整角机又重新达到新的协调位置。上述过程定量分析如下：假定：（1）气隙磁密按正弦分布；（2）忽略铁心饱和和整步绕组磁势对激磁磁势的影响。

当发送机和接收机转子之间的位置角分别为和不等时，转子激磁磁场在定子各整步绕组内所感应变压器电势的有效值分别由下列式子给出：

对于发送机

对于接收机

考虑到发送机和接收机均为星形连接的三相对称绕组，因此，各相回路的合成电势可分别表示为：

设整步绕组每相的等效阻抗为，则定子各相绕组中的均衡电流为：整步转矩的大小可由下式给出：

将上式代入上式，并考虑到转矩方向，便可求得发送机和接收机的整步转矩分别为：

上式中的符号表明：发送机整步绕组所产生的整步转矩为逆时针方向，而接收机所产生的整步转矩为顺时针方向。考虑到同步绕组位于定子侧，所以作用到转子轴上的实际整步转矩方向分别与上式相反。即当发送机转子在外力作用下逆时针旋转一个角度后，发送机转子上所产生的同步转矩为顺时针方向，倾向于保持转子原来的位置。而接收机转子上所产生的整步转矩为逆时针方向，驱使转子逆时针转过角度，从而使两转子的转角一致，即。最终，整步转矩为零，系统进入新的协调位置。

根据上式绘出静态整步转矩与失调角之间的关系曲线如图示。自整角机的静态整步转矩特性图中，当失调角时的同步转矩称为比同步转矩（或比转矩）。控制式自整角机控制式自整角机的工作原理图控制式自整角机的概念与工作原理：控制式自整角机的作用是将发送机转子轴上的转角转换为接收机转子绕组上的电压信号。在发送机定子绕组感应电势的作用下，接收机定子绕组中便有电流流过并产生磁势和磁通。所产生的磁通与接收机的转子绕组相匝联，并在接收机转子绕组中感应电势，最终输出电压。由于接收机是处于变压器运行状态，故接收机又称为自整角变压器。

图给出了由控制式自整角机可以与伺服电机一起组成随动系统。由控制式自整角机和伺服电机组成的随动系统

结论：控制式自整角机的接收机（或自整角变压器）与力矩式自整角机的接收机是同一种电机的两种可逆运行方式。

在力矩式自整角机中，发送机的转子绕组通过单相电源输入电压信号，通过定子绕组的电气连接将发送机的转角信号传递至接收机，由接收机输出转角信号。此时，接收机相当于工作在电动机运行状态；而在控制式自整角机中，接收机的转子绕组开路，通过定子绕组的电气连接将发送机的转角信号转变为接收机转子绕组的电压输出。此时，接收机相当于工作在发电机运行状态。旋转变压器概念:

旋转变压器（RevolvingTransformer）是一种可以旋转的变压器或控制电机，它将转子转角按一定规律转换为电压信号输出。旋转变压器的电路原理图按有无电刷分类:

有刷旋转变压器无刷旋转变压器分类：按有输出电压与转角之间的关系分类:

正-余弦旋转变压器线性旋转变压器有刷旋转变压器的结构特点：定子和转子均采用空间互差的两相对称正弦分布绕组；定、转子极数一般为两极，转子绕组则通过滑环和电刷引出。

无刷式旋转变压器的电路原理图无刷旋转变压器的结构特点：包括两部分：解算器（或分解器）：由两相空间互成的定子绕组和一相转子励磁绕组组成；旋转变压器：一次侧绕组固定在定子上，由高频交流信号激磁。二次侧绕组位于转子上，与转子一同旋转。工作原理a、正-余弦旋转变压器

正-余弦旋转变压器因两个转子绕组的输出电压分别为转子转角的正、余弦函数而得名，其原理图如图所示。图中，取转子Z1Z2绕组与d轴(D1D2)重合时的位置为转子的起始位置，并规定转子沿逆时针偏离d轴的角度为正。

当定子激磁绕组D1D2的外加交流电压时，绕组内便产生激磁电流，并在d轴上建立脉振磁势和气隙磁通。当为任意值时，由于气隙磁通与Z1Z2、Z3Z4两相绕组所匝链的磁通分别为和因此在激磁绕组D、转子Z1Z2和Z3Z4绕组中所感应电势的有效值分别为：空载运行分析：当转子