单相异步电动机的工作原理单相异步电机的转子采用鼠笼式定子上有

第八章单相异步电动机及控制电机第一节单相异步电动机单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到几百瓦。一、单相异步电动机的工作原理单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕组通入相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁动势一般为椭圆形旋转磁动势。1．工作绕组单独通电时的情况由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电动机会被加速到接近转动而不致停止。其原理可解释如下：工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩，对应的转差率0neT00nnnS曲线如图8-1中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率STe00000002()2nnnnnnnSSnnn图8.1单相异步电动机的曲线STe曲线如图8.1中的曲线2所示.合成电磁转矩与S的关系曲线如曲线3所示。可见时，无启动转矩，而在外力作用下，使S+或S-不为1时，合成转矩不等于零，如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。STeeeeTTT1SS2．两相绕组通电时的机械特性如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁动势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产生的基波合成磁动势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆形的旋转磁动势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁动势。设正转磁通势的幅值F+大于反转磁通势的幅值F-，则Te-S+曲线和Te-S-曲线分别如图8-2中的曲线1和曲线2所示。由合成曲线3可见，S=1时，起动转矩大于0，能自行起动，正向运行。如果F+F-，则将反向起动运行。起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关S，当转速上升到同步转速的时自动断开。%80~%75图8.2两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线二．单相异步电机的主要类型和起动方法（一）电阻分相式启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。两个绕组的电路都是感性的，起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动的场合。（二）电容分相式起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电流接近90度，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩和较小的起动电流。电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头对调即可。（三）罩极式电动机罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-3所示，定子磁极极面的约1/3处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为短路环，把磁极的小部分罩在环中。图8.3罩极式异步电动机的结构示意图当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩部分的，另有一部分磁通欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动势，产生电流和磁通，使实际过被罩部分的磁通过，如图8-4所示。可见，穿过未罩部分的磁通与穿过被罩部分的磁通在空间上处于不同位置，时间上又有相位差，其合成磁势为椭圆形旋转磁动势，使电动机产生一定的启动转矩。特点：启动转矩小，但结构简单，制造方便，多用于小型电扇、录音机等。0'ESISSS'0'''ssEsI图8.4罩极式单相异步电动机磁通向量图第三节伺服电动机伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程中。因此对伺服电动机的性能有如下要求：1．无“自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行停转。2.具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。3.具有线性的机械特性和调节特性。4.快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。一直流伺服电动机直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的定子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺服电动机(例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服电动机时的性能进行分析。直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改变电枢绕组电压Ud的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向实现对转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。电枢控制是励磁电压Uf不变，控制电枢电压Ud的控制方式。在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为（1）直流伺服电动机的机械特性由图可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压Ud的增加，直线的斜率保持不变，机械特性向上平移。当控制电压Ud不变时，转矩Te增大时，转速n降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。直流伺服电动机的这种机械特性是十分理想的。（2）直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速与控制电压之间的关系。根据机械特性表达式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。ndU()dnfU二交流伺服电动机交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间互成电角度。一相绕组为励磁绕组f，一相为控制绕组k，转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压Uk的幅值或相位就可以实现转速控制。90作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，则电动机不转。但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。（1）交流伺服电动机的特性要求1ms（2）交流伺服电动机的伺服特性对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在范围内，单相电机的转矩，转子将继续沿原转向旋转，如图a所示。10nn0eT信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这种情况。为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻使，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。1mS从图b中所示的单相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁转矩特性曲线上，时的临界转差率，与对称。因此电机总的电磁转矩特性通过零点，即无启动转矩；在时，，是制动性转矩；时，，也是制动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到显然只要，就能避免自转现象。)(sfTemeTT1mS)(sfTe)(sfTe)(sfTe10nn0eT10nn0eTon1mS（3）控制方式与运行特性交流伺服电动机运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能为脉振磁动势。而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速n也随之变化。这就是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。1.幅值控制及特性幅值控制接线如图8-11所示。励磁绕组f直接接至交流电源，电压Uf的大小为额定值。控制绕组所加的电压为Uk，Uk在时间上落后于励磁绕组电压Uf90°，且保持90°不变，Uk的大小可以改变。调节时，Uk的大小可以表示为，其中,UKN为控制绕组额定电压，又称为有效信号系数。当有效信号系数时，控制电压，此时交流伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁动势。KNKUU00KU图8.11交流伺服电动机的幅值控制当有效信号系数时，控制电压，此时交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形旋转磁动势。10KNKUU0当有效信号系数时，控制电压，励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势大小相等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势。由此可以获得不同值的机械特性如图8.12所示KNKUU1图8.12交流伺服电动机的机械特性采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直线，从而获得一定转矩下转速与之间的关系曲线，即调节特性，如图8.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节特性。图8.13交流伺服电动机的调节特性2相位控制保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.14所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，UK的幅值不变，但UK与Uf的相位差可以通过调节移相器在0～90°之间变化，UK与Uf的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之发生变化。图8.14交流伺服电动机的相位控制3．幅值——相位控制及特性交流伺服电动机采用幅值——相位控制时的接线如图8.15所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。图8.15交流伺服电动机的幅值——相位控制交流伺服电动机采用幅值——相位控制机械特性与幅值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。第六节步进电动机一般电动机是连续转动，而步进电动机是一步一步转动的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就前进一步，因此被称为步进电动机。常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步进电动机的基本运行原理。一、步进电动机的原理三相六极反应式步进电动机的运行原理如图8.21所示。从结构上看步进电机与开关磁阻电机类似，也是凸极结构。不同的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开有若干个齿槽。因此，步进电机输出步距角的精度主要取决于自身的结构。图8.21反应式步进电动机的运行原理(a)相通电(b)相通电(c)相通电从图8.21可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个