任务四其他电机认知与运行控制

知识要点同步电机的结构和类别同步电机的工作原理同步电动机V形曲线和功率因素调节同步电动机的启动直流伺服电动机的结构和工作原理交流伺服电动机的结构和工作原理步进电动机的原理步进电动机的运行特性驱动电源直流测速发电机工作原理和误差分析交流测速发电机工作原理和误差分析任务四

其他电机认知与运行控制技能目标能测定同步电动机的V形曲线能完成三相同步电动机的异步起动能用实验测得交流伺服电动机机械特性和调节特性能进行步进电动机基本特性的测定任务四

其他电机认知与运行控制目录关联知识1同步电机

关联知识2

伺服电动机关联知识3

步进电动机关联知识4

测速发电机关联知识5

旋转变压器实践技能训练1.1同步电机的分类1.1.1分类方式

同步电机可以按运行方式、结构形式和原动机的类别进行分类。1.1.2分类1.按运行方式:发电机、电动机和调相机三类。2.按结构形式:旋转电枢式和旋转磁极式两种。3.按原动机类别:汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。关联知识1同步电机

1.2同步电机的基本结构以汽轮发电机为例:定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子(电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC

根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极两种，凸极式：结构简单，制造方便，制成多极比较容易，但机械强度低，适用于低速、多极的同步电机。⊕⊕⊙⊙⊕⊕⊙⊙+-SSNN1.2同步电机的基本结构

隐极式:转子呈圆柱形,无明显磁极,在整块铸铁上的三分之二部分铣有槽和齿,槽中有分布式直流励磁绕组。

优点：气隙均匀，电抗无变化。

特点:机械强度高,适用于极数少、速度高的

同步电动机。NS⊕⊕⊕⊙⊙⊙1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回示例返回1.3同步电机的基本工作原理1.3.1

同步发电机工作原理

同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流，定子绕组开路的运行称为空载运行。电磁关系：空载电动势大小：空载特性：电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应.电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关.励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由磁极对数和电流频率决定由电流相序决定1.3.2同步电动机的工作原理当转子的S极与旋转磁场的N极对齐，转子的N极与旋转磁场的S极对齐时，根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，定转子磁场（极）间就会产生电磁转矩（称同步转矩），促使转子的磁极跟随旋转磁场一起同步转动，即n=n1，称为同步电动机。同步电动机转子转速与旋转磁场转速必相等,不能有转速差.否则电动机不能运转。

图4-5同步电动机工作原理图（a）实际空载时（b）理想空载时（c）负载时

1.4同步电机的额定值及励磁方式1.4.1

额定值

指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.1.4.2

励磁方式

同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。（一）直流励磁机励磁同步电机的励磁方式有以下几种：（二）静止的交流整流励磁系统1、他励式静止半导体励磁系统2、自励式静止半导体励磁系统（三）旋转的交流整流励磁系统（四）三次谐波励磁1.5同步电动机的V形曲线

与同步发电机相似,当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时,也有三种励磁状态,“正常励磁”时,电动机没有无功功率输出；“过励”时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功）;“欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）.也可以调节无功功率.

调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,这是同步电动最可贵的特点.

同步电动机正常工作时是靠合成磁场对转子磁极的磁拉力牵引转子同步旋转的，转子转速只有与合成磁场同步才有稳定的磁拉力，形成一定的同步转矩。恒频起动时，θ在0~180之间时，定、转子磁极相吸引，转矩起拖动作用θ在180~360之间时，转矩起制动作用。无法使电动机起动。SNNSn1n1TθΣFF01.6同步电动机的启动同步电动机起动方法：1.6.1辅助电动机起动用一台与同步电动机极数相同和小型异步电动机把同步电动机拖动到异步转速,然后投入电网,加入直流,靠同步转矩把转子牵入同步。此法投入大、不经济，不适合带负载起动，个别用于起动同步补偿机。、变频起动在起动之前将转子加入直流,然后使变频器的频率从零缓慢上升旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速,直到额定转速.此法性能好,起动电流小,对电网冲击小.、异步起动同步电动机转子上都装有笼型绕组,主要靠它在起动的第一阶段把转子加速到正常的异步转速,其值大于同步转速的95%.准同步.

笼型绕组只在异步起动过程中起作用,同步运行后不切割磁场,无电流,但在同步电动机出现振荡时,笼型绕组感生的瞬时电流起稳定作用。当同步电动机异步起动到准同步转速时，及时给直流励磁绕组加入励磁电流，由于此时旋转磁场相对于转子转速已经很低，功角

θ在0~180之间，旋转磁场对转子一直是拉力，与异步转矩一起把电机拉入同步转速。————牵入同步阶段。几点注意事项：1、异步起动过程中直流励磁不能加入,否则将在定子回路产生与电源频率不同的电流,与定子绕组起动电流叠加,使定子电流过大,不允许。2、直流励磁绕组不能开路,否则在异步起动时其上将产生过高的电动势,击穿绕组绝缘,对操作人员的人身安全也会构成一定的威胁。3、直流励磁绕组不能短路,否则将使同步电动机升不到准同步转速。处理办法是将直流励磁绕组串一电阻闭合。4.牵入同步进行是否顺利取决于负载大小、转动惯量及加入直流励磁的瞬间。Θ=0时加入最理想，但要在控制回路中加入测量功角的环节。5.如果牵入同步有困难,可加大直流励磁,有利于牵入同步。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。关联知识2

伺服电动机

特点：(1)调速范围宽，改变控制电压，要求伺服电动机的转速在宽广的范围内连续调节；(2)机械特性和调节特性为线性，线性的机械特性和调节特性有利于提高控制系统的精度；(3)无“自转”现象，伺服电动机在控制电压消失后，应立即停转；(4)动态响应快，伺服电动机的机电时间常数要小，而它的堵转转矩要大，转动惯量要小小，改变控制电压时电机的转速能快速响应。

按照控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两类。

直流伺服电动机的输出功率通常为1～600W，用于功率较大的控制系统中。交流伺服电动机的输出功率一般为0.1～100W，用于功率较小的控制系统。2.1伺服电动机分类2.2直流伺服电动机直流伺服电动机的控制电源为直流电压，根据其结构可分为：普通型直流伺服电动机，盘型电枢直流伺服电动机、空心杯直流伺服电动机和无槽直流伺服电动机等。2.2.1直流伺服电动机的结构1.普通型直流伺服电动机

普通型直流伺服电动机的结构与他励直流电机的结果相同，由定子和转子两部分组成。根据励磁方式不同，可将普通型直流伺服电动机分为电磁式伺服电动机和永磁式伺服电动机。定子由永久磁钢和前后软磁铁组成，磁钢放置在圆盘的一侧，并产生轴向磁场，一般制成6、8、10极电机；电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组。2.盘型电枢直流伺服电动机传统型直流伺服电动机：结构形式与普通直流电动机相同，只是它的容量和体积要小的多。1）空心杯形转子外磁场式：外定子由永久磁钢制成或通常的电磁式结构，内定子由软磁材料制成，空心杯电枢可以采用印制绕组，也可采用环氧树脂固化先行绕制的成型绕组。内磁场式：内定子采用永久磁钢，外定子采用软磁材料的结构。3.空心杯直流伺服电动机无槽直流伺服电动机与普通伺服电动机的区别是无槽伺服电动机的转子铁心上不开元件槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将其与电枢铁心固化成整体。4.无槽直流伺服电动机

无槽直流伺服电动机结构图2.直流伺服电动机的工作原理控制方法电枢控制：通过改变电枢电压来控制电机转速。1）机械特性（Ua=常数时，n=f(Te)）2）调节特性（TL=常数时，n=f(Ua)）当电机的控制电压大于相应的始动电压，伺服电动机便能起动并在一定的转速下运行。

磁极控制：用调节磁通来控制电机转速。2.3交流伺服电动机2.3.1交流异步伺服电动机结构：传统的交流伺服电机是指两相伺服电机，有笼型转子和杯型转子两种。

☆定子铁心中安放着空间互成90o电角度的两相绕组，其中一相作为励磁绕组，运行时接至电压为Uf的交流电源上；另一相作为控制绕组，输入控制电压Uc，电压Uc和Uf的频率相同。

☆转子通常有两种型式：高电阻率导条的笼式转子、非磁性空心杯形转子。

1.高电阻率导条的笼型转子：

结构与普通鼠笼式异步电动机类似，但为了减少转子的转动惯量，做的细而长。导条及端环可用高电阻率的导电材料（黄铜、青铜等），也可用铸铝转子。国产的SL系列就采用这种结构形式。2.非磁性空心杯形转子：

定子分外定子铁心和内定子铁心两部分，由硅钢片冲制后叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90电角度的两相分布绕组。内定子铁心中不放绕组，仅作为磁路的一部分，以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯转子用非磁性铝或铝合金制成，放在内、外定子铁心之间，并固定在转轴上。2.3.2交流伺服电动机的工作原理防止出现“自转”现象:两相异步伺服电动机在取消控制电压（Uc=0）后，便成为单相异步电动机运行，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场。当转子电阻较小，在电动机运行的转差率范围内，0＜s＜1,T1＞T2,合成的Te=T1-

T2＞0，只要TL＜Tem,电机转子将一直运转，并不会因为控制电压的消失而停转，这就是“自转”，在自控系统中是绝不允许出现的。当转子电阻足够大，正序磁场产生的最大转矩所对应的转差率Sm1＞1，电机的Tem在电动机运行范围内均为负值，即Te＜0，如图（c），在某一控制电压下，电机带有一定负载稳定运行，当控制电压消失，励磁绕组所产生的Tem为一制动转矩而使电机迅速停转。

交流伺服电动机的控制方式1.幅值控制：

保持励磁电压的幅值和相位不变，通过调节控制电压的大小来调节电机的转速，而Uc与Uf之间始终保持90度电角度相位差。当Uc=0时，电机停转；当控制电压反相时，电机反转。交流异步伺服电动机运行时，励磁绕组接至电压值恒定的励磁电源，而控制绕组所加的控制电压Uc是变化的，一般来说得到的是椭圆形旋转磁场，由此产生电磁转矩驱动电机旋转。若改变控制电压的大小或改变它相对于励磁电压之间的相位差，就能改变气隙中旋转磁场的椭圆度，从而改变电磁转矩。2.相位控制：

保持控制电压的幅值不变，通过调节控制电压的相位，即改变控制电压相对励磁电压的相位角，实现对电机的控制。

相位控制接图3.幅值-相位控制（或称电容控制）：

将励磁绕组串联电容C后，接到励磁电源上，调节控制电压的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁回路中的电流If也发生变化，使Uf及Uca也随之改变。也就是说，控制电压Uc和Uf的大小及它们之间的相位角也都跟着改变。是一种较常用的控制方式。幅值—相位控制接线图机理：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，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变方向。关联知识3

步进电动机

种类：步进电动机的种类很多，根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多。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子上没有励磁线圈。应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。3.1步进电动机的工作原理

3.1.1结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组

定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。

注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC3.1.2工作方式

步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相

C相

B相

（3）工作过程A相通电，A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有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，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、定子的齿对齐停止转动。A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30

；C相通电再转30

。1C'342CA'BB'A

这种工作方式，因三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，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

S表示。（2）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。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15

。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30

，即

S=30

。CA通电CA'BB'C'A3412f：电脉冲的频率

转速

步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3时步距角3.3驱动电源

有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。3.3.1对驱动电源的基本要求（1）驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都应满足步进电机的控制要求。（2）驱动电源要满足起动频率和运行频率的要求，能在较宽的频率范围内实现对步进电机的控制。（3）能抑制步进电机的振荡（4）工作可靠，对工业现场的各种干扰有较强的抑制作用。2.步进电源的组成

步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。步进电机驱动电源方框图3.4步进电机应用

步进电动机的应用已十分广泛。

在机械、冶金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工以及医疗、印刷等行业，几乎都有应用步进电机的实例。

具有速度快、精度高、自适应能力强等特点。步进电动机的控制方式主要有开环控制和闭环控制两种。4.1.

直流测速发电机工作原理与普通直流发电机相同。电枢电势为：空载时，Ia=0,Ua=EanU0负载时，关联知识4

测速发电机

可见，理想情况下C为常数，所以，直流测速发电机负载时的输出特性仍然是一条直线。负载电阻越大，直线斜率就越大。实际情况是，输出特性会偏离直线，如图中虚线所示。nUa0>产生误差的原因和改进方法电枢反应措施：选用较大气隙和较小线负荷；转速不超过最大线性工作速度，负载电阻不小于最小负载电阻；补偿绕组；电刷接触电压降对策：选用导电性能较好的电刷温度的影响措施：将磁路设计的较饱和；在励磁回路中串电阻；在励磁回路中串联具有负温度系数的热敏电阻；励磁回路由恒流源供电4.2

交流测速发电机1）

同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系，应用较少。2）

异步测速发电机结构与杯形转子交流伺服电动机类似，由内、外定子，非磁性材料制成的杯形转子等部分组成。定子上放置两个在空间相互垂直的单相绕组，一个为励磁绕组，另一个为输出绕组。转子静止时转子旋转时空心杯转子异步测速发电机工作原理图4.2.1交流异步测速发电机工作原理4.3测速发电机的应用举例转速自动调节系统1-放大器；2-电动机；3-负载；4-测速发电机

旋转变压器是一种能旋转的变压器。旋转变压器是自动控制装置中的一类精密电机。旋转变压器的输出电压与转子转角呈一定的函数关系,它又是一种精密测位用的机电元件,在伺服系统、数据传输系统和随动系统中也得到了广泛的应用。

旋转变压器的用途主要是用来进行坐标变换、三角函数计算、将旋转角度转换成信号电压等。关联知识5

旋转变压器

5.1旋转变压器分类

1.