印刷光电技术第三章

《印刷光电技术》

（第1版）主编：钱军浩目录第一章绪论第二章印刷设备常用低压电器第三章印刷设备中常用电机与控制第四章印刷设备中基本控制电路第五章印刷设备中常用的控制电路第六章常用机型典型电路分析第七章印刷过程控制系统第八章印刷机电气维修第三章印刷设备中常用电机与控制

主讲人：钱军浩印刷设备中常用的电机主要分两类:一类是驱动电机，一类是控制电机。驱动电机是印刷设备的主要动力源，包括各种类型的交、直流电动机。交流异步电动机较之其它类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，某些印刷机或者辅助用电动机在不要求调速时可采用;大多数印刷机要求调节转速，则可选用直流电动机、整流子式电动机或电磁调速异步电动机(滑差电动机)。控制电机也叫特种电动机，常见的有步进电动机、伺服电动机、测速发电机等，这些电机不是作为动力来使用的，它的主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。为避免与电工学重复，本章重点介绍直流电动机、三相交流整流子式电动机、电磁调速异步电动机三种调速电动机和步进电动机、伺服电动机、测速发电机这三种特种电机及其控制。第一节直流电动机直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它与交流电动机(如三相异步电动机)相比，虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等，目前已不如交流电动机应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的起动转矩，在印刷设备中得到广泛应用。本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的起动与调速做一简单介绍。一、直流电动机的结构与工作原理1．直流电动机的结构。直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成，其结构如图3-1所示。(1)磁极磁极是电动机中产生磁场的装置，如图3-2所示。它分成极心1和极掌2两部分。极心上放置励磁绕组3，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组;磁极是用钢片叠成的，固定在机座4(即电机外壳)上;机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。(2)电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组，如图3-3所示。(3)换向器(整流子)。换向器是直流电动机的一种特殊装置，其外形如图3-4所示，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。2．直流电动机的工作原理

图3-5是直流电动机的示意图。若在A、B之间外加一个直流电压，A接电源正极，B接负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图3-5所示位置时，有效边ab在N极下，cd在S极上，两边中的电流方向为a→b，c→d。由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为：F=BLI式中，I为导线中的电流，单位为安(A)。根据左手定则知，两个F的方向相反，如图3-5所示，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180º时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变。由此可见，正是由于直流电动机中采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。二、直流电动机的分类及其特性在直流电动机中，除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不同。1．他励电动机

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图3-6所示。他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，在印刷设备中多用于主机拖动中，例如:JJ2O1型卷筒纸双面双色胶印机的主电动机，即采用直流他励式电动机。2．并励电动机

并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，如图3-7所示，这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和，即I=Ia十If。并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕组电阻大，可使If减小，从而减小损耗。由于If较小，为了产生足够的主磁通Φ，就应增加绕组的匝数。由于If较小，可近似为I=Ia。并励直流电动机的机械特性较好，在负载变动时，转速变化很小，并且转速调节方便，调节范围大，启动转矩较大。因此在印刷机械中应用广泛。例如:YBF-103型圆盘式双头包封面机的传动主电机，采用的是容量为2.2kW的并励直流电动机；J2106型胶印机的水辊传动机构，采用的是微型并励直流电动机，并通过可控硅装置来调节电机转速，从而调节水辊供水量。3．串励电动机

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源，如图3-8所示。串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。串励电动机多用于负载在较大范围内变化的和要求有较大起动转矩的印刷设备中。4．复励电动机

这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，如图3-9所示，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。在以上四种类型的直流电动机中，以并励直流电动机和他励直流电动机在印刷设备中应用最为广泛，现举例介绍。(1)由于直流电动机的起动力矩大，能在很大的范围内均匀而经济的调速，因此常用于主机的拖动。例如:JJ2O1型卷筒纸双面双色胶印机的主电机，为直流他励电动机，型号是:Z2-81D2型，功率3OkW，调速范围150～15Oor/min，调速比为1:10。(2)除用于主机驱动外，直流电机也常用于水辊和墨辊的传动机构。J2106型胶印机水辊传动，采用l1E03型微型并励直流电动机，励磁绕组是以固定电压供电。为保证印刷过程中水辊有一定的供水量，该直流电机的调速，是由可控硅来控制电枢绕组电流的大小完成的，可控硅通过单相阻容移相电路来控制。JJ2O1型胶印机的给水给墨传动机构也是采用直流电动机来驱动和调速的。三、直流电动机的起动与调速

直流电动机的使用主要包括起动、调速、反转和制动等。这里首先讨论直流电动机的电磁特性，然后以并励直流电动机为例讨论其起动和调速情况。1．直流电动机的电磁特性

直流电动机的电枢绕组电流Ia与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩。电磁转矩T的大小为:T=KT·φ·Ia式中，KT一与电机结构有关的常数；φ一磁极磁通量，单位是韦伯(Wb)；Ia一电枢电流，单位是安(A)；T一电磁转矩。在这个电磁转矩T作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生电动势E。E=KE·φ·n式中：φ—磁极磁通量，单位：韦伯(Wb);n—电枢转速，单位：r/min;KE—与电机结构有关常数;E—感生电动势，单位：伏特(V)。显然这个电动势E是一反电动势，故加在电枢绕组的端电压分为两部分:其一是用来平衡反电动势;其二为电枢绕组的电压降，如图3-10所示。因此直流电动机电枢的电压平衡方程式为:U=E十IaRa式中：U——电枢外加电源电压;IaRa——电枢绕组的电阻和电流。电动机的电磁转矩是驱动转矩。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡。当轴上的机械负载转矩发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，似适应负载的变化，保持新的平衡。例如，当负载增加时，电动机的电磁转矩便暂时小于阻转矩，所以转速下降。随着转速的下降，当磁通φ不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流Ia将增加，于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩达到新的平衡后转速不再下降，而电动机则以较原先更低的转速运行。在电源电压U和励磁电路的电阻Rf不变的情况下，电动机的转速n与转矩T的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。

由上面讨论的电磁关系可知:在上式中，是T=0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电动机轴上没有加机械负载，电动机输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以n0称为理想空载转速。式中的是转速降。它表示：当负载增加时，电动机的转速下降。转速降是电枢电阻Ra引起的。当负载增加时，Ia增大，IaRa增大，由于电源电压U是一定的，这就使反电动势E减小，也就是转速n降低了。并励电动机的机械特性曲线如图3-1l所示。由于Ra很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此并励电动机具有硬的机械特性。2．并励电动机的起动

电动机接通电源，转子从静止状态开始转动起来最后达到稳定运行。由静止状态到稳定状态这段过程称为起动过程。并励电动机在稳定运行时，其电枢电流为：因为电枢电阻Ra很小，所以电源电压U和反电动势E极为接近。在电动机起动的初始瞬间，n=O，所以E=KE·φ·n=O。这时的电枢电流为:I=U/Ra由于Ra很小，起动电流将达到额定电流的10～20倍，这是不允许的。因为并励电动机的转矩正比于电枢电流，所以它的起动转矩也太大，会产生机械冲击，使传动机械(例如齿轮)遭受损坏，因此，必须限制起动电流。限制起动电流的方法是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst(图3-12)。这时电枢中的起动电流初始值为:而起动电阻则可由上式确定，即:一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5～2.5倍。起动时，应将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，将它逐段切除。起动电阻是按短期使用设计的，不能长期接在电枢电路中。例3-1Z2-61型并励电动机，Pn=lOkW，U=220V，In=53.8A，nn=15O0r/min，Ra=0.3Ω，最大励磁功率Pfm=260W。试求(1)直接起动时起动电流为额定电枢电流的几倍;(2)起动电流限制在额定电枢电流2倍时的起动电阻值。解:起动时励磁电流为最大值:Ifm=Pfm/U=260/220=1.18(A)

电枢额定电流：Ian=In-Ifm=53.8-1.18=52.6(A)

直接起动时起动电流为：Is=U/Ra=220/0.3=733(A)

起动电流为额定电枢电流的倍数=Is/Ian=733/52.6=13.9若将起动电流限制为额定电枢电流的2倍，即：则起动电阻值为：这种电阻起动法广泛应用于小型直流电动机，较大容量和经常起动的电动机常采用降压起动法，依靠降低电动机端电压来限制起动电流。降压起动需要一套调压供电装置作为电动机电源，常用于他励电动机，只降低电枢两端电压，励磁电压保持不变。需注意的是，直流电动机在起动或工作时，励磁电路必须保持接通状态，不能让它断开(起动时要满励磁)。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，可能发生下述事故。①如果电动机是静止的，因转矩太小(T=KTφIa)，不能起动；由于反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。②如果电动机在有载运行时断开励磁电路，电动势立即减小而使电枢电流增大；同时由于所产生的转矩不能满足负载需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以致烧毁电枢和换向器。③如果电动机空载运行，它的转速可能上升到很高的值(这种事故叫“飞车”)，使电机遭受严重的机械损伤，而且还会因电枢电流过大将绕组烧毁。3．直流电动机的调速

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的印刷设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。由直流电动机的转速公式：可知，改变Ra、φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外接电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。(1)调磁法。即改变磁通量φ。当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如图3-13所示。由于:可知磁通φ减少时，n0升高，转速降Δn增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图3-14所示。在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电动机在额定状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通(Φ<Φn)，将转速往上调(n>nn)。调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通ф。由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势E=KE·ф·n就减小，Ia随之增加。由于Ia增加的影响超过ф减小的影响，所以转矩T=KTфIa也就增加。如果阻转矩Tc未变，则T>Tc转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也随着减小，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变(为额定值)，由于T=KTфIa,故减小磁通量ф后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变(恒功率调速)的场合。这种调速方法有3个优点:①调速平滑，可无级调速;②调速经济，控制方便；③机械特性较硬，稳定性较好。这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。例3-2有一并励电动机，已知U=llOV，E=9OV，Ra=2OΩ，Ia=lA，n=3000r/min，为了提高转速，调节励磁电阻Rf增加，使磁通φ减小10%，如负载转矩不变，问转速如何变化？解：令φ减少10%，即φ′=0.9φ,所以电流必须增大到Ia′，以维持转矩不变，即：即转速增加了8%。(2)调压法。即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由:可见，n。变低了，但Δn未改变。因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线，如图3-15所示。在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调(n<nn)。调速的过程是:当磁通φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T<Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T随着增大，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的(恒转矩调速)。这种调速方法有下列优点:①机械特性较硬，且电压降低后硬度不变，稳定性较好;②调速幅度大;③可均匀调节电枢电压;得到平滑的无级调速。这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。例3-3有一他励电动机，已知:U=220V，I=53.8A，n=l5OOr/min，Ra=0.7Ω,今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少?设励磁电流保持不变。解：由T=KT·φ·Ia可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比:

即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的40%。第二节三相交流整流子式电动机三相交流整流子式电动机能在恒定转矩和规定的调速范围内作均匀的连续无级调速。它具有调速范围广、起动性能良好、负载效率和功率因数较高、速度调节精密和安装场地经济等优点，所以曾经在印刷机械中得到广泛的应用。早期由上海人民机器厂和北京人民机器厂制造的胶印机、铅印机、轮转机、凹印机和凸印机等用的主拖动电机，均采用三相异步整流子式电动机。如LPll01型、LPl103型全张单面凸版轮转印刷机、J2102型对开单色胶印机等。日本三菱M-5CP全张双面胶印机、德国海德堡SpeedmasterlO2V型四色胶印机也采用三相整流子式电动机。三相交流整流子式电动机缺点是:由于在电机转子上有一套整流子(换向器)以及电刷转盘，所以较其它异步电机结构复杂、运行中维护与保养工作量较大，故障率较高。一、整流子式电动机结构与工作原理三相整流子式电动机为反装式异步电动机，采用转子供电式结构，如图3-16所示。定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠成;槽内嵌着多相双层定子绕组，也叫副绕组(图中以三相形式表示，一般不为三相)，各相绕组的首末两端，分别通过机座两侧的两连接板，和换向器上电刷相联接。各相首端所接的电刷为一组(图中以X′、Y′、Z′表示)，末端所接的电刷为另一组(以U′、V′、W′表示)，这两组电刷分别固定在两个转盘上，即装在另一缺电刷转盘上。同一电刷转盘上两相邻电刷支架间的夹角为360°/3=120°电角。转子铁芯也由硅钢片叠成，铁芯槽内嵌有两个绕组:一个是三相初级绕组，也就是主绕组，放在槽子底部，可做星形或三角形联接(图中为星形联接)，三相电源通过集电环和电刷对它馈电;另一个是和换向器相联的调节绕组，放在槽子顶部，它通过换向器，并通过电刷转盘与定子绕组相接。电机转速和功率因数的调节机构，主要是通过一个手轮，以及两个可以作相对移动的电刷转盘和一套联动齿轮所组成，调速手轮。在换向器表面装有两套可以作相反方向移动的电刷转盘，在每块电刷盘上一般总是装着数量等于定子相数m和电机极对数p之乘积(即3P)的电刷支架，并且每隔3根电刷支架的电刷都接成并联。因此，同一电刷盘上两相邻电刷支架间的夹角为360°/3=120°电角。至于装在电刷支架上的电刷块数，由每相通过的电流大小而定。在定子铁芯上只有一套普通的多相绕组S，它是电动机的次级绕组。因为每组绕组内的感应电势是由旋转磁场所感应出来的次级电压，所以它的相数可以根据电机容量任意选择。每相次级绕组末、首两端都分别接到换向器端两块电刷转盘的相应电刷支架上。这时定子绕组S的磁极轴线应和相联电刷间的调节绕组之磁极轴线相重合。当定子每相绕组的两个电刷适当地分开，并使两电刷之间的一段调节绕组的中心点与所接的定子绕组的中心点在同一空间轴线上，如图3-17b所示时，由旋转磁场感应于定子的电动势E2s必与感应于转子调节绕组而出现于两电刷间的附加电势Ek同频率、同相位(对图中所取正方向而言)。E2s的频率为转差频率(f2=sf1)，这与通常的异步电动机副边频率一样。Ek的频率也为转差频率f2，这是因为电刷端引出的附加电势的频率等于每秒从电刷上经过的磁极对数，它仅决定于旋转磁场对电刷的相对转速，而旋转磁场对装在定子上的副绕组和固定电刷的相对转速都是一样的，均为(n1-n2)，所以，由电刷引出的附加电势与副绕组中的电势有相同的转差频率，即f2=sf1。Ek的大小，不仅与旋转磁场对调节绕组的相对转速大小有关，而且还决定于两电刷间调节绕组的情况。即改变调节绕组的数目即可调节附加电势的大小。在图3-17b所示接线情况下，定子绕组回路的总电动势。同频率、同相位，所以E2=E2s一Ek。相对于图3-17a情况来说，E2变小了，定子电流I2也随之减小，结果使电动机的电磁转矩T变小(小于负载转矩)，从而转速n2下降，随着n2下降，转差率S变大，E2s变大，随之I2变大，电磁转矩也随着变大，到电磁转矩与负载转矩平衡为止，转速停止下降，电机在某一较低的转速下运行。由上面分析可见，改变电刷张开角度2β，则Ek随着变化，直到带动电机转速的改变。若要把转速从n20调高，则只要把每相两电刷交叉角度张开，如图3-17c所示。这时定子绕组回路的总电势E2=E2s十Ek变大，I2随着变大，使电磁转矩增加，则电磁转矩大于负载转矩使转速n2上升。随着n2上升，转差率变小，E2s变小，又使I2减小，T也变小，直到n2上升到某一数值时，使电磁转矩与负载转矩平衡为止，电动机将在较高速度下运行。β越大，Ek愈大，转速愈高。当n2=n1时，S=O，E2S=0，这时定子电流全由Ek产生，电磁转矩依然存在，电机能以同步转速n1稳定运行。如果此时β继续增大，则Ek变得更大，结果n2>n1，转差率为负值，E2s反相，定子回路总电势E2=Ek-E2s，仍能使I2和T恢复到与负载转矩平衡时为止，电机将在n2>n1的情况下运行。由上分析可见，我们只要适当调节电刷在换向器上的位置，便可实现从低于同步转速到高于同步转速范围内平滑而经济地调速。二、整流子式电动机的起动与调速所有整流子式电动机都可以直接起动，但最低速度的电刷位置起动时，不仅起动电流小，起动转矩较大，而且换向器的火花也是最小，有利于电动机的维护。所以在使用时，应尽可能在最低速度位置起动。如果电动机的负载较重，致使电动机不能在最低转速处直接起动时，可在接通主电源后，迅速把调速手轮向“快”的方向稍移过些后，再设法闭合低速行程开关XCl以直接起动（XCl为低速联锁行程开关，用来保证电动机在低转速时起动)。但移动距离应不超过自最低速度处到最高转速处的1/5～1/6距离。整流子式电动机有两种调速办法:一种是手动调速，一种是遥控调速。手动调速即利用调速手轮，调速手轮有两种，一种是新式的，一种是老式的，如图3-18所示。在装有新式调速装置的整流子电动机中，如要进行遥控调速，需先把离合器向内旋紧，使它的凸沿跨放在手轮端面上(不能放在手轮端面的槽内)，便可按照要求按下遥控装置的“加速”或“减速”按钮，获得所需速度;遥控调速，即利用遥控装置的“加速”或“减速”按钮、整流子电机本身的调速电机(伺速电动机)和一套继电-接触器控制线路，来控制整流子电动机的转速。在需要手动调速时，需把离合器向外旋松，使它的凸沿恰好放进手轮端面的凹沿内，然后按照“快”、“慢”方向转动手轮进行调速。有关三相交流整流子电机的一些特性可参见本书第六章第五节内容。对于老式调速装置，如要手动调速，需把手轮向外拉出，然后按照“快”或“慢”的方向转动手轮，以得到所需速度。在每次手动调速后，需把手轮向内推进，以便随时准备遥控调速。在整流子电动机的电刷转盘上，在相当于最高转速和最低转速的电刷位置处，装有限位器，以使电刷转盘只能在规定的速度范围内移动。在有遥控装置的电动机上，装有两个限位开关，一个在最低转速的位置上，它的常开触头和主接触器的电磁线圈相串联，来保证电动机只能在最低速度下起动，又能在停车后自动回到最低转速位置处，并切断“减速”电磁开关；另一个限位开关在最高转速位置下开始动作，起着限制最高转速的作用。第三节电磁调速异步电动机（滑差电机）电磁调速异步电动机又称滑差电机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。由于它具有调速范围广、速度调节平滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈的自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点，因此在印刷机及骑马订书机、无线装订高频烘干联动机中都得到广泛应用。如801型对开立式停回转凸版印刷机、J52101型对开双面胶印机，J2105型对开单色胶印机、J2108型对开单色胶印机、PZ4880-01A型对开四色胶印机等印刷机械采用这种电动机就更能符合印刷工艺要求。烘版机采用这种电动机调速后，能有效地控制胶膜厚度，操作十分方便。骑马订书机采用这种电动机调速，能够根据书刊的要求相应地调节转速而提高书刊装订质量。带有速度负反馈的电磁调速异步电动机的主要缺点是:在空载或轻载(小于10%额定转矩)时，由于反馈量不足，会造成失控现象;在调速时，随着转速降低，离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降。所以此电机适用于长期高速运转和短时间低速运转。为适应印刷机低速运转的需要，在采用电磁调速异步电动机作主驱动的印刷机中往往再配装一台三相异步电动机作为低速电机使用。现将该电动机工作情况作简要介绍。一、电磁调速异步电动机结构与工作原理电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。这里主要介绍电磁滑差离合器，图3-19是其结构示意图。它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分;磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场而产生感生电势和涡流。涡流与磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是:异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。电磁滑差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示:式中：n0——离合器主动部分(鼠笼电动机)的转速;n——离合器从动部分(磁极)转速;If——励磁电流;K——与离合器结构有关的系数;T——离合器的电磁转矩。当稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。由上述公式可知:(1)当负载一定时，励磁电流If的大小决定从动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高;反之，励磁电流愈小，转速就愈低。根据这一特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速。(2)当励磁电流一定时，从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低，并且这种下降在弱励磁电流的情况下更加严重，如图3-20a所示，它具有较软的机械特性，这种软的机械特性在许多情况下，不能满足生产机械的要求。为了获得范围较广，平滑而稳定的调速特性，通常采用速度负反馈的措施，使电磁滑差离合器具有如图3-20b所示的硬机械特性。图3-21为带有速度负反馈的电磁调速异步电动机原理框图。它是利用测速发电机把离合器的输出速度n换成交流电压U～，再经整流器变成直流电压U—。将U—送入比较元件，与给定直流励磁电压Uf进行比较，得电压差ΔU=Uf一U-。所以输入离合器的励磁电流If不是正比于励磁电压Uf，而是正比于电压ΔU。由于U～(U-)的大小与转速n有关，n增大，U～(U-)变大。n减小，U～(U-)变小。因此，在给定直流励磁电压Uf不变情况下，输入的励磁电流If的大小与转速n有关，即随着n的下降或上升，励磁电流If将自动增加或减小，由于负反馈的作用，提高了电磁离合器机械特性的硬度，这时调速的参数不再是电流If，而是电压Uf。显然，给定励磁电压Uf愈高，则转速n愈高;反之则转速愈低，如图3-2Ob所示。从图中可以看出：在空载或轻载(小于10%)额定转矩时，由于反馈量不足，会造成失控现象，此外，在调速时，随着转速降低，离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降。二、电磁调速异步电动机的起动与调速1．电磁调速异步电动机的起动。该电动机与转动惯量较大的工作机械之间装有滑差离合器，起动时可以逐渐增加电流，能很平滑地起动。在阻力较大的拖动系统中，例如J2203胶印机，电动机往往不能带负载直接起动，这时可在起动前先断开离合器的励磁电源，使鼠笼电动机先空载起动，然后再接上励磁电源就可起动了。2．电磁调速异步电动机的调速。由电磁调速异步电动机的工作原理知，电磁调速异步电动机的速度调节，可通过调节滑差离合器的励磁电流来实现。下面介绍两种调节滑差离合器励磁电流的电路。(1)用调压器调速。在图3-22中，是用调压变压器来改变励磁电流的整流器电源电压，以达到调速的目的。在此系统中没有速度负反馈，电机机械特性较软，一般可用于要求不高的调速系统中。例如，制铜锌版使用的无粉腐蚀机，胶印制版的烘版机等。由于这种控制线路结构简单，便于维护，所以在印刷机械中仍有实用意义。在图3-22中，TC是单相调压变压器，初级电压220V，次级电压为0～250V。整流元件是2CZ型硅二极管，型号的选择应根据离合器励磁线圈的功率或电流来确定。从电路图可看出，只要改变调压变压器的次级电压，就能改变整流输出直流电压，即改变滑差离合器励磁电流，这样就能调节电机的转速。(2)速度负反馈电磁调速异步电动机控制电路。现在广泛采用具有速度负反馈的滑差离合器的控制装置，来实现宽范围无级调速，它比起其它调速电动机来说，具有以下主要优点:①交流无级调速，机械特性硬度较高;②结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉;③调速范围大，用在像印刷机这样的恒转矩负载时，一般可达10:1，有特殊要求(如轮转机)时亦可达50:1;④可调节转矩。在现代化的联合轮转机中，都应用了自动化的纸张拉紧机械，它可以达到随着卷筒纸直径的变化，调节离合器的转矩以保持拉力不变。下面以ZLK-l0型调速装置为例，说明电磁调速异步电动机的调速线路的组成及其工作原理。图3-23为ZLK-l0自动调速系统的方框图，由图可知它由给定电压、速度负反馈、放大器、触发电路、可控硅(晶闸管)整流等环节组成，图3-24是其原理图。下面对它的基本环节进行分析。①给定电压环节。给定电压环节起始于变压器TC副边5端、6端间的绕组。24V的交流电压经VD2整流并经C2、R2、C3滤波和VZ稳压，得到l6V的直流电压。最后由R5和RP4分压输出的给定电压可获得电动机“运转”档的转速;而由RP1分压输出的给定电压可获得“定速”档的转速。“运转”、“定速”由中间继电器KA3控制。②转速反馈环节。ZLK-l0自动调速系统是采用三相交流测速发电机BR对转速进行采样。所得交流经VD8～VD13整流和C8、R13、RP2、RP3滤波后，得到反馈电压，经过R8传至放大器的输入端。由于不同测速发电机灵敏度之间存在差异，所以采用RP2对反馈电压进行调节。转速表PV的刻度值依靠RP3调节。电容器C7用于减轻反馈电压的脉动，有利于调速系统动态稳定性的提高。③放大器。放大器是以晶体管V2为核心组成。二极管VD4、VD5、VD6用作双向限幅保护，以避免V2的发射结承受过高的电压。给定电压与转速反馈电压通过电阻R6、R7和R8进行组合，形成输入信号，其值正比于上述两个电压之差。这个差值经V2放大后可影响V2的集电极电位，对单结晶体管触发脉冲形成电路进行控制。④触发电路。单结晶体管触发电路的电源是由V1、VD3、R4与变压器TC的6、7绕组组成。TC的6、7端输出3V交流电压，当为负半周期时，V1截止，V1集射极间电压为16V，如图3-25b所示；当7、6端输出为正半周期时，经VD3整流后加到V1的集射极上使V1饱和导通，Vce1=0，放大器与触发电路不能工作，如图3-25b所示。由V3和R11组成的恒流源，再加上电容器C6,能产生锯齿波用作移相，如图3-25c所示。其成理是这样的：设V3和R11恒流源的恒定电流是I0，恒定电流向C6充电，Uc6=l/C6∫t0Iodt，使C6的电压上升，当上升到单结管VU的峰值时单结管导通C6放电。放电到VU的谷值时又重新充电。而恒定电流I0的大小又受放大器V2输出电压的控制。如当V2的输入电压增大，V3的基极电压就降低，V3更加导通，V3集电极电流I0增大，这样充放电速度加快，可控硅触发提前，如图3-25d所示，导通角增大，导致励磁电压增大，如图3-25e所示;同理V2的输入电压减小时，I。减小，导致导通角减小，励磁电压减小。可见输入电压的大小可以控制可控硅的触发时刻。触发器最终在VU的第一基极通过脉冲变压器TV输给晶闸管控制极。二极管VD7用以短路负脉冲，防止可控硅因控制极出现负脉冲而击穿。⑤可控硅整流电路。该系统采用可控硅单相半波整流电路，波形如图3-25e所示。整流电路的输出控制转差离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影响电机的转速。图中R1、C1和热敏电阻RV均对可控硅有过压保护作用。VD1为续流二极管，其作用是，正半周时由于可控硅导通而使离合器工作；负半周时可控硅不导通，励磁线圈产生的反向电动势可经VD1形成放电回路，使线圈中的电流连续，从而使离合器工作稳定。综合上述，当ZLK-l0自动调速系统处于“运转”状态，也就是调速状态时，通过调节电位器RP4改变电压给定环节的电压，来改变电动机的转速。例如调节RP4使给定电压Uf增大，这时转速负反馈系统给出的电压U-保持不变，输入到V2的电压ΔU增加，由V3和R11组成的等效电阻减小，V6充电速度变快，单结晶体管的触发时刻提前，可控硅整流电路的输出增大，滑差离合器的励磁电流增大，最终电动机转速变快。调速过程如下:Uf↑→ΔU↑→Uc充电加快→Ug触发提前→If↑→n↑当ZLK-l0调速系统置于“定速”状态，也就是稳速状态时，通过调速系统可以稳定由于负载RL变化而引起的转速变化。例如当负载变小时，电机转速将变快，转速负反馈电路给出的电压U-将增大，经过R6、R7、R8给出的比较电压ΔU将减小，这样C6充电速度变慢，单结晶体管的触发时刻滞后，可控硅整流电路的输出变小，滑差离合器的励磁电流减小，电动机转速变馒。经过这洋的反馈过程将使电机的转速基本不变。稳速过程如下:RL↓→n↑→U-↑→ΔU↓→Uc充电变慢→Ug触发滞后→If↓n↓第四节印刷设备中常用的特种电动机随着生产过程机械化、电气化和自动化的不断发展，出现了各种类型的特种电动机。这些电动机的工作原理，一般与普通的异步电动机和直流电动机的基本原理近似，但是它们在性能、结构、生产工艺上各有其特殊性，多用于自动控制过程中。一般来说，这些电动机的功率不大，小的只有几分之一瓦，大的也不过几十瓦或几百瓦，属于微型电动机的范围。由于印刷机械的自动化、规范化和数据化迅速发展，印刷机械对特种电动机的需求越来越多。本节将介绍目前在印刷设备中应用较广的步进电动机、伺服电动机和测速发电机这三种电动机。一、步进电动机

一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可直接输出线位移，称为直线电动机)。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移)的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机在印刷机械上的应用将逐渐扩大。例如德国海德堡胶印机上的CPCI控制装置中，就用了四组各36只步进电动机来代替原有的墨斗螺丝。步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。图3-26是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。1．单三拍通电方式的基本原理

设A相首先通电(B、C两相不通电)，产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图3-27a);接着B相通电(A、C两相不通电)，转子便顺时针方向转过30º，它的齿和B、B′对齐(图3-27b)，随后C相通电(A、B两相不通电)，转子又顺时针方向转过30º，它的齿和C、C′极对齐(图3-27c)。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→B→C→A→…的顺序轮流通电，则转子沿顺时针方向一步一步地转动，每一步的转角为30º(称为步距角)。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角(转子四个齿距为90º)。如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。2．六拍通电方式的基本原理

设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐(图3-28a)。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3-28b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15º。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图3-28c)，转子从图(b)的位置又转过了15º。而后接通C相，B相仍继续通电，这时转子又转过了15º，其位置如图3-28d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15º。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A→…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。

图3-28六拍通电时转子位置

a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电

3．双三拍通电方式的基本原理

如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图3-28b和图3-28d可见，步距角也是30º。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角;采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ可用下式计算:θ=360º/(Zr·m)（式中Zr是转子齿数;m是运行拍数）图3-29三相反应式步进电动机结构图

一般步进电动机最常见的步距角是3º或1.5º。由上式可知，转子上不只4个齿(齿距角90º)，而有40个齿(齿距角为90º)。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图3-29所示。由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的图3-29三相反应式步进电动机结构图转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。4．步进电动机的驱动电源

步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驭动电源两者配合所形成的综合效果。(1)对驱动电源的基本要求。①驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要;②要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求;③能最大限度地抑制步进电动机的振荡;④工作可靠，抗干扰能力强;⑤成本低、效率高、安装和维护方便。(2)驱动电源的组成。步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器(也称功率放大器)三部分组成，如图3-30所示。指令→脉冲发生器→脉冲分配器→脉冲放大器→步行电动机→工作机构图3-30步进电动机驱动电源的方框图①脉冲发生器。脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，最常见约有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。图3-31是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相器和或非门构成，振荡频率由RC决定，改变R值即可改变脉冲频率。②脉冲分配器。脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形脉冲分配器。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图3-32、图3-33所示。

J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L而是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r=“1”，而J3L=“0”，则电机正转；若J3r=“0”，J3L=“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r=“1”，J6L=“0”，则电机正转；若J6r=“0”，J6L=“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A。、B。、C。为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器(功率放大器)后分别接到步进电动机的三相线上。③脉冲放大器(功率放大器)。由于脉冲分配器输出端A。、B。、C。的输出电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200～400μA，而步进电动机的驱动电流较大，如75BFOO1型步进电动机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器(即功率放大器)后才能驱动步进电机。图3-34是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三级晶体管放大，第一级用3DG6小功率管，第二级用3DK4中功率管，第三级用3DDl5大功率管，R6为步进电动机限流电阻，随所配电机不同而异。图3-34所示电路是单电压型驱动电源，它的特点是:线路简单，电阻R6与控制绕组串联后，可以减小回路的时间常数;但是由于R6上要消耗功率，使电源的效率降低，用这种电源供电的步进电动机的起动和运行频率都不会太高。为了提高电源效率及工作频率，可采用高、低压切换型电源，其原理如图3-35所示。高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。二、伺服电动机伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号(如控制电压或相位)变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1～1OOW，常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分，目前在印刷机中交直流伺服电动机都有应用，以直流伺服电动机用的最多。1.交流伺服电动机

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图3-36所示。其定子上装有两个位置互差90º的绕组，一个是励磁绕组Rf,它始接在交流电源Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两相伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2～0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图3-37所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋砖，在负载恒定的，情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单相异步电动机相比，有三个显著特点:①起动转矩大。由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3-38中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S>1，这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。②运行范围较宽。如图3-38所示，转差率S在0到l的范围内伺服电动机都能稳定运转。③无自转现象。正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T1～S1、T2～S2曲线)以及合成转矩特性(T-S曲线)如图3-39所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性(图中T′～S曲线)不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。图3-40是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。交流伺服电动机的输出功率一般是0.1～100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220V、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、Z6V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5～100W的小功率控制系统。2.直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两