第11章控制电机
07第11章 同步发电机并网运行
−U SA −U SB −U SC
U GA U SC
U SA U GB ΔU3
电注意此处！
出现灯光旋转，说 明相序不对，绝对 不能并网。
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现象：
U SB U GC ΔU2
注意此处！
z 电压大小且频率不等时，灯光
交替明暗。
并网时刻：A 相灯
z 仅电压不等时，灯光有明有暗。 光熄灭并且另两相
z 仅频率不同时，灯光交替明灭。 灯光亮度相同。
之间产生严重的功率振荡，
压频率可调节原
并且伴生较大的暂态电流。
动机的转速。
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11.1.1 并网情况分析
（5）若仅三相电压相序不同
此时电压差为线电压，发电机绝对不能并网。
（6）若发电机输出电压波形非正弦
此时将对电网产生谐波污染，并增加发电机的谐波损耗。
11.1.2 理想并网条件
要求并网发电 机的机端开路 电压与系统电 压：
① 波形相同 ② 相序一致 ③ 频率相等 ④ 幅值相等 ⑤ 相位相同
由发电机的设计、 制造与安装保证。
由并网操作保证， 而并网操作的过程 称为整步或同期。
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华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室
1
《电机学》第11章
11.2 同步发电机并网操作的原理性方法
11.2.1 准整步法
ΔU
Z
′′
S
≈
jxS′′
US
力（3）若仅电压大小不等或仅相位不同
ΔU = UG −US = IC (zG′′ + zS′′)
IC
=
ΔU zG′′ + zS′′
≈
ΔU j(xG′′ + xS′′)
《步进电动机》PPT课件
2021/4/23
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第11章 步进电动机
t
360 Zr
(式中， Zr为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间 角度(机械角度)， 即步距角为
s
t
N
360 Zr N
(11 - 1)
式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。
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第11章 步进电动机
为了提高工作精度， 就要求步距角很小。 由式(11 - 1)可见， 要减小步距角可以增加拍数N。 相数增加相 当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越 复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有 八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也 可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。 所以 一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5°/0.75°、 1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。
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第11章 步进电动机
当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方 向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过 30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。从而实现逆时针旋转。
θte=360° 或 θte=2π rad 相应的步距角为
be
te
N
360 N
(11 - 2)
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第11章 步进电动机
或
be
2
N
(11 - 3)
所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角
度表示的步距角均相同。
《控制电机1~11章》答案解读
第二章直流测速发电机1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A 始终与处在N 极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、B 电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a, S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B 与线圈的d 端相接触,故此时A 电刷为正, B 电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下,这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反, 于是线圈电势的方向也变为由a 到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组（见图2 - 3）的电刷放在磁极轴线上? P9-104. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL 正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL x n2。
同样可以证明ea x n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
电机学第11章2
§11-2 同步发电机并联投入的条件和方法
三、并联投入方法(2)
讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时， 励磁绕 组不 应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励 磁绕组也不直接 短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。 通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电 阻。 2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。
电压不相等时的并联合闸
§11-2 同步发电机并联投入的条件和方法
二、不满足并联投入条件的后果(2)
２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。
U S
U
U U G S
U G
U I c
U S
G S U G
G S
(a)
G S
U U U ，存在电压差 U （1）若fG=fS ，相序一致，但 U G S G S I 二者之间将出现环流 C （见下图)。
U
U G
I C
U U
S
U E 0 G
U S
G S
I C
U U j Z S x S ZG xG 式中 xG″和 xs″属于过渡性质的电抗，其数值很小，尤其对于无 很小，也会产生很大的冲 限大电网， xs″ =0，。因此，即使 U 击环流 IC。 IC
三、研究并联运行时所用的规定正方向
A
发 电 机 一 相 绕 组
I G
E 0
I S U G 电网 U S
X
图11-1 研究并联运行的正方向
§11-2 同步发电机并网投入的条件和方法
一、并网投入条件
为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内 部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。
现代电气控制技术 PPT课件
第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术 11.2 异步电动机的变频调速技术 11.3 交流伺服技术 思考题与习题
2020/3/31
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第11章 现代电气、电机控制技术
11.1 PLC控制技术
11.1.1 可编程控制器概述 可编程逻辑控制器简称PLC， 是20世纪70年代
（5） 如需输出打印或状态监控， 还需将有关信 息传送至外围设备。
不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较 大， 三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16 位8096单片机， 美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用 的微处理器是ADM-2900高速芯片。
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第11章 现代电气、电机控制技术
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第11章 现代电气、电机控制技术
I/O接口电路的功能是： （1） 输入接口电路的作用是将来自现场设备的 输入信号通过电平变换、 速度匹配、 信号隔离和功率 放大， 转换成可供CPU处理的标准电平信号。 图112为PLC产品中常见的一种直流24 V传感器输入电路。 如输入器件为按钮、 开关类无源器件， +24 V端子仍 需接24 V电源， 但输入按钮或开关则可直接连在输入 端子和COM端之间， 电路更为简单。 只要程序运行， PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。
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第11章 现代电气、电机控制技术
现代可编程控制器产品具有如下技术特点： （1） 高可靠性与高抗干扰能力。 PLC产品是专为 工业控制环境设计的， 机内采取了一系列抗干扰措施， 其平均无故障时间可高达4～5万小时， 远远超过采用 硬接线的继电—接触器控制系统， 也远远高于一般的 计算机控制系统。 PLC产品在软件设计上采取了循环扫 描、 集中采样、 集中输出的工作方式， 设置了多种实 时监控、 自诊断、 自保护、 自恢复程序； 在硬件设计 上采用了屏蔽、 隔离、 滤波、 联锁等抗干扰电路结构， 并实现了整体结构的模块化。 PLC适应于恶劣的工业环 境， 这是它优于普通微机控制系统的首要特点。
电机学第11章
转子铜耗与电磁功率的关系： pCu2 sPem
总机械功率与电磁功率的关系：Pmec (1 s)Pem
电动机运行时，还会产生轴承以及风阻等摩
擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，这部分功率
叫机械损耗，pm用ec 表示。另外，由于定、转子开 槽和定、转子磁动势中的谐波磁动势等，还会产
生一些附加损耗pa，d 用 表示，附加损耗一般不易 计算，往往根据经验估算。一般铜条鼠笼转子异
步电动机，约为P0N.5％ ，铸铝转子异步电动机 为1P％N ~3％ 。
总机械功率减去机械损耗和附加损耗，才是
转轴上真正输出的机械功率，用 P2 表示：
P2 Pmec ( pmec pad)
P2 P1 p
p pCu1 pFe pCu2 pmec pad
11.1 三相异步电动机的功率与转矩
1.功率平衡
三相异步电动机稳定运行时，从电源输入的 电功率为： P1 m1U1I1 cos1
当电流流过定子绕组时，由于定子绕组有电 阻，产生定子铜耗 pCu1 m1I12r1
异步电动机铁耗主要指定子铁耗，即：
pFe m1I02rm
输入电动机的电功率 P1 减去 pCu1 和 pFe 后， 余下的功率通过电磁感应传递到转子侧，为电 磁功率Pem
( x1
x2 )2
I2
U1
r1
r2 s
2
x1
x2
2
2、电磁转矩与转差率关系曲线
图11－2 异步电机的 Tem s 曲线
Tm a x
m1 pU12
4f1
r2 sm
三、电磁转矩的实用表达式
AutoCAD2014中文版电气设计教程第十一章电气控制设计
第11章电气控制设计本章导读： 在日常的生产生活中，绝大部分消耗的电能都是由各种电机消耗的。
不管是直流电机也好，还是交流电机也好，都是靠把电能转化为机械能进行工作的。
如果没有电机进行这种能量形式的转化，那么，将会给生产生活带来极大不便。
鉴于电机的地位如此重要，我们把电机控制的CAD 制图单独列为一章，并结合AutoCAD 2014的强大绘图功能，使读者可以快速掌握电机控制CAD 绘图的一般应用。
24811.1 电气控制设计基础11.1.1 电气控制介绍在电机的两大类型之中，尤以交流电机的数量为多，远远超过直流电机的数量，并且交流电机是未来电机控制的发展方向，所以本章所绘图纸为交流电机的控制。
应用到直流电机时，控制原理不变，只需把供电方式改变即可。
电机控制电路由继电器—接触器控制电路构成，而任何一种继电器—接触器控制电路都是由一些基本控制环节组成的。
因此在设计控制系统时应熟悉并经常用到电机控制的一些基本控制环节，如电动机的启动及运行控制、电动机的变速控制、电动机的制动控制等。
在设计电机传动系统时应合理地组合运用各个基本控制环节，设计出稳定可靠的系统。
对电机的启动电流若不进行控制，会对电网带来不利的影响，因此现在电机启动有很多方法，如绕线式异步电动机可采取转子串频敏电阻器进行启动的方法，可实现无级平滑启动。
11.1.2 电路图绘制步骤和方法首先对CAD绘图环境进行必要的预设置。
选择基础图形，以使控制图的绘制符合专业制图标准要求，然后在基础图形的基础上完成系统图的绘制、编辑及注释。
这样可以减少大量烦琐的重复工作量，提高绘图的效率。
11.2 设计范例——绘制单个电机的启动/停止控制原理图本范例完成文件：\11\11-1.dwg多媒体教学路径：光盘→多媒体教学→第11章11.2.1 实例介绍与展示本章介绍单个电机的启动/停止控制原理图，它是交流电机控制图纸的基础，同时也是最简单、最基本的电机控制线路，学好本节将会为后面的学习打下良好基础。
第十一章 异步电动机教案
在电动机三相定子绕组通人三相交流电后，即产生旋转磁场，磁场转速为ns=60f1/p，
而定子绕组固定不动，所以定子绕组本身会产生频率为弄的感应电动势，大小为：
E (4--4)
式中E ——定子绕组感应电动势有效值，V；
K——定子绕组的绕组系数，X1<1，约为0．9；
N——定子每相绕组的匝数；
(3)满足下列经验公式的：
＜ +
试中S ——公用变压器容量，kVA；
P ——电动机的额定功率，kW
——电动机启动电流和额定电流之比
二、笼型异步电动机的降压启动
1．自耦变压器降压启动
2．Y—∆降压启动
3.延边三角形启动
4.定子串电阻启动
三、绕线转子电动机的启动
1．转子串接电阻启动
2．转子串接频敏变阻器启动
(2)拆去电动机所有外部连接线，用兆欧表测量各相绕组相间及对机壳之间的绝缘电阻。对于额定电压是380．V的电动机，用500V的兆欧表测量，绝缘电阻在0．5MΩ以上才可使用；新绕制电动机的绝缘电阻通常都在5MΩ以上。
(3)对于绕线转于电动机，要检查电刷与滑环的接触是否良好(接触面不少于电刷全面积的3／4)，电刷压力是否适当(14．7~24．5kPa，约为150—250g／cm2)，转子电路相间绝缘及对机壳绝缘是否良好，提刷装置手柄是否在启动位置。
(1)电动机通电运行时必须提醒在场人员注意，防止旋转物切向飞出，伤及人员及设备
(2)接通电源之前就应作好切断电源的准备，当电动机出现不能启动、启动缓慢、辑烈振动、电刷火花大、声音异常时立刻切断电源。
(3)笼型电动机采用全压启动时启动次数不宜过于频繁。绕线转子电动机在接通电源前，应检查启动器的操作手柄是不是已经在“零位”，若不是则应先置于“零”位，接通电源后再逐渐转动手柄，随着电动机转速的提高而逐渐切除启动电阻。
第11章同步电机的基本理论与运行特性
当对称的三相电流流过对称的三相绕组时， 合成磁势为一旋转磁势
定子绕组磁势产生的气隙圆形 旋转磁场与转子励磁产生的磁 场有相同的极对数，磁极相互 吸引，驱动转子旋转——同步 电动机
一、同步电机的结构
同步电机的型式与构造 1. 基本构造型式 2. 汽轮机 3. 水轮机
基本构造型式
组成：固定的定子和可旋转的转子 分：磁极旋转式和电枢旋转式。 磁极旋转式——以电枢为定子，磁极为转子。 使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕 组。 旋转电枢式应用于小容量同步电机
对励磁系统的要求
当电机内部发生短路故障时， 能快速灭磁和 减磁，以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机， 能成组调节无 功功率，使无功合理分配。 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗 小，成本低，体积小等
强励指标
励磁电流增长幅度
强励时顶值电压 强励倍数K = 正常工作电压
励磁电流增长速度
同步电机铭牌
我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 电机型号 额定容量 SN (VA,kVA,MVA等) 或额定功率PN (W,kW,MW 前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示 等) ：指电机输出功率的保证值。 氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。 额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。 额定电流 (A) ：指额定运行时定子的线电流。 举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。 额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。 TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘 额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国 米，铁心长为160厘米，极数为48。 标准工业频率规定为50Hz。 外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的 额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 同步
电机与电气控制(第4版)课件全套 第1--5篇 直流电机及拖动---电气控制技术
第5章 三相变压器
内容提要 三相变压器的磁路结构及特点。 三相变压器的电路系统。 判断绕组极性的方法。 电力系统常采用多台变压器并联运行的意义，以及变压器并联运行的条件。
第6章 其他用途的变压器
内容提要 自耦变压器的结构特点、电磁关系、容量以及使用时的注意事项。 仪用互感器的结构特点、工作原理以及互感器与被测线路的连接方法、使用中的注意事项。 电弧焊工艺对电焊变压器的要求；电焊变压器应具有急剧下降的外特性；其输出电流I2在一定 范围内应具有可调性；为实现I2可调所采用的方法不同，便有不同的电焊变压器。这些电焊压器 均有着不同的结构特点。
第4章 单相变压器
内容提要 变压器的用途和结构。 变压器的运行原理。 阐述分析变压器运行的三种方法—电磁平衡关系、等值电路和向量图。 变压器参数的测定。 衡量变压器运行性能的重要标志是外特性和效率特性。掌握这些知识为选择、使用、维护变 压器奠定基础。
3．变压器的效率特性 当变压器电源电压和功率因数一定时，效率 随负载电流 （即负载系数 ）的变化关 系 称为变压器的效率特性，其变化规律如图4.29所示。
第1章 直流电机原理
内容提要 本章主要讲述直流电动机的基本工作原理；直流电动机的结构以及各部件的作用，重点介
绍能量转换的核心部件—电枢绕组不同形式的连接规律和特点。 感应电势和电磁转矩的计算。 直流电动机不同励磁方式的特点。 直流电机的磁场以及改善换向的方法。
1.1 直流电机基本工作原理
（4）单叠绕组和单波绕组的应用。
1.3.2 直流电机的磁场
1．直流电动机的分类 （1）直流他励电动机。 （2）直流并励电动机。 （3）直流串励电动机。 （4）直流复励电动机。
3．改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件K中出现了附加电流 ，因此要改善换 向，就得从减小甚至消除附加电流 着手。
第11章思考题和习题解答
第11章供配电系统的运行和管理11-1．节约电能有何重要意义答：节约电能的意义主要表现为：1．缓解电力供需矛盾。
节约电能可以节约煤炭、水力、石油等一次能源，使整个能源资源得到合理使用，缓解电力供需矛盾,并能减轻能源部门和交通运输部门的紧张程度。
2．节约国家的基建投资。
节约电能可以节约国家用于发电、输配电及用电设备所需要的投资，给整个国民经济带来很大的利益,有利于国民经济的发展。
3．提高企业的经济效益。
节约电能可以减少企业的电费开支，降低生产成本，积累资金，提高企业的经济效益。
4．推动企业用电合理化。
节约电能可以推动企业采用新技术、新材料、新设备、新工艺，加速设备改造和工艺改革，从而提高企业的经营管理水平，使企业生产能力得到充分发挥，促进企业生产水平的不断发展和提高。
11-2．什么叫负荷调整有哪些主要调整措施答：根据供电系统的电能供应情况及各类用户不同的用电规律，合理地安排各类用户的用点时间，以降低负荷高峰，填补负荷的低谷（即所谓的“削峰填谷”），充分发挥发、变电设备的潜能，提高系统的供电能力。
负荷调整的主要措施：①同一地区各厂的厂休日错开；②同一厂内各车间的上下班时间错开，使各个车间的高峰负荷分散；③调整大容量用电设备的用点时间，使它避开高峰负荷时间用电，做到各时段负荷均衡，从而提高了变压器的负荷系数和功率因数，减少电能的损耗。
④实行“阶梯电价+分时电价”的综合电价模式。
“阶梯电价”全名为“阶梯式累进电价”，是指把户均用电量设置为若干个阶梯，随着户均消费电量的增长，电价逐级递增。
峰谷分时电价是指根据电网的负荷变化情况，将每天24小时划分为高峰、平段、低谷等时段，各时段电价不同，以鼓励用电客户合理安排用电时间，削峰填谷，提高电力资源的利用效率。
11-3．什么叫经济运行什么叫变压器的经济负荷答：经济运行是指整个电力系统的有功损耗最小，获得最佳经济效益的设备运行方式。
变压器的经济负荷，就是应满足变压器单位容量的综合有功损耗△P/S 为最小值的条件。
第11章 主轴驱动及控制
模拟电压
给定信号
BCP 3-D1GIT 2-D1GIT
BIN
1
1
2
2
4
4
8
8
10
1
16
20
2
32
40
4
64
80
8
128
100
10
265
200
20
512
400
40
1024
800
80
2048
数字电压给定信号
ZSPD 零 速 输 出
YASKAWA 主 轴 驱 动 系 统 主 轴 电 动 机 (带 风 扇 与 编 码 器 )
设定面板
CPU
No
DATA
HOME MODE ALM
SET RESET
基极驱动
PWM控 制 电流控制
编码 器 信 3CN 号处
理 2CN
电流给定
1CN 开关量输出
报警代码 模拟量输出
TS
PG 编码器
经处理后的 编码器输出
状态信号输出 报警代码输出 外接转速表与负载表
图11.3 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置原理框图
E Cen M C M Ia KIt
第11章 主轴驱动及控制
从而导出转距速度特性方程
n Ua Ia Ra
Ce M CMIa KI f
第11章 主轴驱动及控制
（1）在基速n0以下，采用调压调速，即在励磁电 流If不变，Φ为常数的情况下，用改变电枢电压Ua的方 法调速。这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流最 大值Imax， 即
第11章 主轴驱动及控制
11.1.2 主轴系统的分类与特性 1. 主轴系统的分类 根据变速方式的不同，主轴系统可分为有级变速、
第11章 线控制动原理与检修
2．结构 如图11-1所示，电动变频压缩机包含一对螺旋线缠绕的固定蜗形管和可变蜗形管、无刷 电机、油挡板和电机轴。固定蜗形管安装在壳体上，轴的旋转引起可变蜗形管在保持原 位置不变时发生转动，这时，由这对蜗形管隔开的空间大小发生变化，实现制冷气的吸 入、压缩和排出等功能。将进气管直接放在蜗形管上可以直接吸气，从而可以提高进气 效率。压缩机中有一个内置油挡板，可以挡住制冷循环过程中与气态制冷剂混合的压缩 机油，使气态制冷剂循环顺畅，从而降低机油的循环率。
第11章 电动汽车空调
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11.1 电动涡旋压缩机
1．功能 新款Prius上的ES18电动变频压缩机由内置电机驱动。除了由电机驱动的部件外，压缩 机的基本结构和工作原理与旧款Prius上的涡旋压缩机相同。空调变频器提供的交流电 （201．6 V）驱动电机，变频器集成在在混合动力系统的变频器上。这样，即使发动 机不工作，空调控制系统也能工作。这样，能达到良好的空气状况，也减少了油耗。 由于采用了电动变频压缩机，压缩机转速可以被控制在空调ECU计算的所需转速内。因 此，冷却性能和除湿性能都得到了改善，并降低了功率消耗。压缩机的进气、排气软 管采用了低湿度渗入软管，这样，可以减少进入制冷循环中的湿气。压缩机使用高压 交流电。如果压缩机电路发生开路或短路，HV-ECU将切断空调变频器电路来停止向压 缩机供电。为了保证压缩机和压缩机壳内部高压部分的绝缘性能，新款Prius采用了有 高绝缘性的压缩机油（ND11）。因此，绝对不能使用除ND11型压缩机油或它的同等品 外的压缩机油。
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图11-1 图11-2所示。 1.吸入过程 在固定蜗形管和可变蜗形管间产生的压缩室的容量随着可变蜗形管的旋转而增大，这 时，气态制冷剂从进风口吸入。 （2）压缩过程 吸入步骤完成后，随着可变蜗形管继续转动，压缩室的容量逐渐减小。这样，吸入的 气态制冷剂逐渐压缩并被排到固定蜗形管的中心了。当可变蜗形管旋转约2周后，制 冷剂的压缩完成。 （3）排放过程 气态制冷剂压缩完成而压力较高时，通过按压排放阀，气态制冷剂通过固定蜗形管中 心排放口排出。
三相笼型异步电动机的全压启动控制_物理
第11章 三相笼型异步电动机的基本控制在工厂里，我们可以看到各种生产机械，既有简单的普通车床、钻床、铣床、磨床等，也有复杂的数控机床、加工中心等。
虽然它们的复杂程度不同，性能、用途各异，但它们的运行都有一个共同的特点，就是用电动机来拖动。
我们把电动机拖动生产机械运行的方式称为电力拖动。
由于各种工作机械的用途不同，因此它们对每台电动机的运行要求也不同。
有的要求点动控制，有的要求自锁控制；有的只要求单一方向旋转，有的却要求正反向旋转……要实现这些不同的运行要求，就需要不同的电气控制系统去控制电动机的运行。
电气控制系统是由电动机、各种低压电器（控制电器和保护电器）等组成。
目前继电器-接触器控制系统广泛应用于传统的机床，但随着电子技术的飞速发展，传统的机床正逐步被自动化程度越来越高的现代机床所取代，由此使得机床的控制系统向多任务、智能化方向发展。
本章只介绍对三相笼型异步电动机的一些基本控制。
11.1 三相笼型异步电动机的启动控制不管工作机械的电气控制系统如何复杂，对电动机的最基本控制就是启动和停止。
电动机接通电源后，从开始启动到匀速转动的过程称为启动。
电动机常用的启动方法有两种：全压启动和降压启动。
11.1.1 三相笼型异步电动机的全压启动控制全压启动又称直接启动，是电动机最简单的启动方法。
当加在电动机定子绕组上的启动电压与电动机的额定电压相等时，电动机就可以迅速启动，这种启动方法就是全压启动。
全压启动使用的启动设备简单，所以这种启动方法得到了广泛的应用。
但是，由于全压启动时，电动机是直接接在三相电源上，所以在启动的瞬间，电动机的启动电流将是电动机额定电流的4～7倍。
如此大的启动电流会造成电源电压的显著下降，影响同一线路中其他负载的正常工作。
如果电动机启动频繁，还会造成其绕组绝缘老化，使用寿命缩短，对于大容量的电动机则情况更严重。
因此，通常只有额定功率为10kW以下的电动机或电动机的容量不超过电源（变压器）容量的20％的情况下，才允许其全压启动。
11章 控制电机及其应用
交流伺服电动机的控制方式
交流伺服电动机有三种控制方式，它们分别 是幅值控制、相位控制和幅相控制。
▪ 幅值控制：控制电压和励磁电压保持相位差90度， 只改变控制电压幅值来改变电动机转速。
▪ 相位控制：相位控制时控制电压和励磁电压均为 额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差， 实现对伺服电机的控制。（较少采用）
低惯量型直流伺服电动机
▪ 盘式电枢直流伺服电动机 ▪ 空心杯电枢永磁式直流伺服电动机
➢ 结构：由一个外定子和一个内定子构成定子磁 路
➢ 外定子由永久磁铁组成 ➢ 内定子由圆形软磁材料制成，作为磁路一部分，
以减小磁路磁阻。 ➢ 转子由空心杯电枢构成。
▪ 无槽电枢直流伺服电动机
直流伺服电动机的控制方式
子。
交流伺服电动机原理
图1中的励磁绕组We与电容C串联，与单相异步电动 机相似，电容C起分相作用。适当选择电容值，可使励磁 电压Ue 相位超前电源电压U ，而控制电压Uc 与电源电压 U的频率和相位相同。这样，控制电压与励磁电压之间存 在相位差，相应地，控制电流与励磁电流之间也存在相位 差。于是，在时间上有相位差的控制电流和励磁电流，分 别流经在空间上有相位差的控制绕组和励磁绕组，便会建 立一个旋转磁场，使转子产生电磁转矩并旋转。
三相双三拍运行和三相六拍运行在通电切换过程中始终保持 有一相持续通电，力图使转子保持原位，因而起到一定的阻尼作用 ，转子运行较平稳。单三拍运行则没有这种作用，切换瞬间，转子 失去自锁能力，平稳性较差。
以上所述是简单的三相反应式步进电动机的工作原理，由于 其步距角很大(30°或60°)，故满足不了系统精度的要求。实际的 步进电动机转子齿数很多，且定子磁极上也带有小齿，可以将步距 角变得很小，详细说明可参阅相关控制电机的资料。
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直流伺服电动机的调节特性也是很理想的。为了提高直流伺服
电动机控制的灵敏性，应尽力减小失灵区。减小失灵区的办法 是：
1）减小直流伺服电动机电枢回路的电阻R；
2）减小直流伺服电动机的空载转矩。
第11章 控制电机
11.2.2 交流伺服电动机
1. 基本结构 交流伺服电动机实质上就是一个两相感应电动机，它的 定子上有空间上互差90°电角度的两相分布绕组，一相为励 磁绕组Nf，一相为控制绕组Nk。电动机工作时，励磁绕组Nf
所引起的漂移等。功率元件如伺服电动机的线性度和失灵区、
步进电动机的步距精度等， 都直接影响到控制系统的精度。
第11章 控制电机 3. 快速响应 由于自动控制系统中主令信号变化很快，因而要求控制 电机特别是功率元件能对信号作出快速响应。表征快速响应 的主要指标是机电时间常数和灵敏度，这些又直接影响到系
内、 外定子结构，外定子上放置定子绕组；内定子相当于普 通感应电动机的转子铁心，作为电机磁路的一部分，不装绕 组。转子采用非磁性材料（铝或铜）制成杯形，杯的厚度一 般为0.3mm左右。这种结构的交流伺服电动机的优点是转动惯
量小，阻转矩小，响应速度快，运行平稳，无抖动现象；缺
点是气隙大， 励磁电流大， 功率因数小， 同时体积也大。
以作为角度数据传输和移相元件(如感应移相器)使用。
第11章 控制电机 （2) 交直流测速发电机。 测速发电机的输出电压精确地与转速成正比，在系统中
用来检测转速或进行速度反馈，也可以作为微分、积分的计
算元件使用。 （3) 控制式自整角机。自整角机的基本用途是角度数据传 输， 两个以上元件对接使用。 输出电压信号的控制式自整 角机属于信号元件，信号元件的输出电压是两个元件转子角 差的正弦函数。
第11章 控制电机
11.2 伺服电动机
11.2.1 直流伺服电动机
1. 直流伺服电动机结构
直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，其结构与原 理都与他励直流电动机相同。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，它的磁极是永久 磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁， 磁极外面套着励磁绕组。 直流伺服电动机就其用途来讲，既可作为驱动电动机(例 如一些便携式电子设备中使用的永磁式直流电动机)，也可作 为伺服电动机(例如录相机、 精密机床中的电动机)。
Ra U a 0 |n 0 Tem KT
（11.2.2）
第11章 控制电机 例如图11.2.1(b),T＝T1 ，Ua0=U1 ，表示只有当控制电压Ua >U1的条件下，电动机才能转起来，而当Uk=Ua＝0～U1区间， 电动机不转，我们称0～Ul区间为死区或失灵区，称Ua0为始动 电压,T不同，始动电压也不同，T大的始动电压也大，T＝0。 即电动机理想空载时，Ua0=0只要有信号电压Ua 电动机就转动。
能转换为机械能的都为功率元件。根据它们在自动控制系统中 的作用，控制电机可以作如下的分类。
1） 执行元件(功率元件)
执行元件主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、
步进电动机和无刷直流电动机等。这些电动机的任务是将电信
号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速交流和直流伺服电动机。 伺服电动机是一种受输入电信号控制并作快速响应的电 动机，其转速与转向取决于控制电压的大小与极性（相位）， 转速随转矩的增加而近似均匀降低。实际使用时，伺服电动 机通常经齿轮减速后带动负载， 在系统中作为执行元件。
第11章 控制电机
图11.2.1 直流伺服电动机的特性 (a) 机械特性； (b) 调节特性
第11章 控制电机 从直流伺服电动机的调节特性可以看出，Tem一定时，控 制电压Uk高时转速n也高，控制电压增加与转速增加成正比。
另外，当n=0时，不同的转矩所需要的控制电压Ua也不同。 由
式（11.2.1）可知，当n=0时， 有
第11章 控制电机
图11.2.3 转子电阻变化对交流伺服电动机机械特性的影响
第11章 控制电机 若交流伺服电动机原来运行在电动状态，在控制信号电压 消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的， 因
而电动机转速将被制动到n=0，只要sm≥1，就能避免自转现象。
在实际的交流伺服电动机中，加大sm的方法是增大转子回
的转矩近似为两个元件转子角差的正弦函数。
第11章 控制电机 2） 测量元件（信号元件） 测量元件包括自整角机、交直流测速发电机和旋转变压
器等。它们能够用来测量机械转角、转角差和转速，一般在
自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。 （1) 旋转变压器(包括多极旋转变压器)。 普通的旋转变 压器都做成一对极，其输出电压是转子转角的正弦、余弦或 其他函数。旋转变压器主要用于坐标变换、三角运算，也可
CeΦ; K T CTΦ
第11章 控制电机
当Ua 大小不同时，机械特性为一组平行的直线，如图
11.2.1(a)所示。当Ua大小一定时，转矩T大时转速n低，转矩的 增加与转速的下降成正比，这是十分理想的特性。 另一个重要的特性是调节特性。所谓调节特性，是指在 一定的转矩下，转速n与控制电压Uk的关系，即n=f(Uk)。 调节 特性可以由机械特性得到。直流伺服电动机的调节特性是一 组平行直线， 如图11.2.1(b)所示。
第11章 控制电机 2. 控制方式 一般用电压信号控制直流伺服电动机的转向与转速大小。
改变电枢绕组电压 Ua 的大小与方向的控制方式叫做电枢控制；
改变直流伺服电动机励磁绕组电压 Uf 的大小与方向的控制方 式叫做磁场控制。 后者性能不如前者， 很少采用。下面只介 绍电枢控制时的特性。
第11章 控制电机 3. 运行特性 采用电枢控制时，电枢绕组也就是控制绕组，控制电压
机就运行于只有励磁绕组一相通电的情况下，那么电机还必然
在原来的旋转方向上继续旋转，只是转速略有下降，但绝不可 能停下来。
第11章 控制电机 这种信号电压消失后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，显然是要避免的。那么交流伺
服电动机怎样避免单相运行时的自转呢?我们再看一下图11.2.3
第11章 控制电机 2. 高精度 在各种军事装备、无线电导航、无线电定位、位置指示、
自动记录、远程控制、机床加工自动控制等系统中，对精度
的要求越来越高，因此相应地对这些系统中所使用的控制电 机在精度方面也提出了更高、更新的要求，有时它们的精度 对系统起着决定性的作用。控制电机的精度主要包括信号元 件的静态误差、动态误差、温度变化、电源频率、电压变化
第11章 控制电机 （2) 步进电动机。 步进电动机的定子铁心上放置多相绕组，并由专用电源 供给电脉冲。它的角位移与所接收的电脉冲数成正比，其转 速与每秒的电脉冲数成正比。步进电动机通常用在开环系统
中作为执行元件。
（3） 力矩式自整角机。 自整角机一般为两个以上的元件
对接使用，输出转矩的力矩式自整角机属于功率元件，输出
路的电阻， 因为sm∝R2， 所以交流伺服电动机转子电阻相对于
接单相交流电压Uf，控制绕组接控制信号电压Uk 。Uf与Uk二
者同频率，一般采用50Hz或400 Hz的电源供电。
第11章 控制电机 转子的结构通常有两种形式：一种为笼形转子， 另一种为 非磁性空心杯转子。交流伺服电动机的笼形转子的外形和普通
笼形转子一样，但是为了减小交流伺服电动机的转动惯量， 提
为Uk=Ua。对于电磁式直流伺服机，励磁电压Uf为常数；另外，
不考虑电枢反应的影响，Φ=C， 在这些前提下，电枢控制的 直流伺服电动机的机械特性表达式为
Ua Ra Uk Ra n T Tem n0 Tem 2 em CeΦ CeCTΦ Ke Ke KT
式中：K e
（11.2.1）
第11章 控制电机
11.1.2 对控制电机的基本要求
1. 高可靠性 控制电机的工作可靠性对保证自动控制系统的正常工作极 为重要。 在航空航天系统、军事装备和一些现代化的大型工 业自动化系统中， 对所用控制电机的可靠性要求很高。如采 用自动化程序生产的炼钢厂，一旦伺服机构中的控制电机发生 故障，就会造成停产事故，甚至损坏炼钢设备。此外，如核反 应堆中使用的执行元件，由于工作条件所限，不便于维修， 因而要求能够长期可靠地工作。 据概率计算，如果元件的可靠性是99.5％，则40个元件所 组成的系统的可靠性仅为0.99540 ，即81.8％；100个元件组成 的系统，其可靠性仅为60.5％。
统的动态误差。
第11章 控制电机
4. 适应性强
控制电机的使用范围很广，而且工作环境常常十分复杂，
这就要求电机在各种恶劣的环境条件下仍能准确、可靠地工
作。 另外，很多使用场合(尤其在航空航天技术中)还要求控 制电机体积小、重量轻、耗电少，因此我们常见到的控制电 机很多都是体积很小的微电机。例如电子手表中用的步进电 动机，直径只有6 mm，长度为4 mm左右，耗电仅几微瓦， 重 量只有十几克。
控制，以及电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音、录
像、摄影等方面的自动控制系统，都经常使用控制电机。
第11章 控制电机 2. 控制电机的分类 控制电机的种类很多，尽管各种控制电机的用途和功能不 同，但基本上可划分为信号元件和功率元件两大类。凡是用来
转换信号的都为信号元件，凡是把信号转换成输出功率或把电
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；信号弱时气隙磁通势 椭圆度增大至接近脉振磁通势就行了。那么要求信号电压消
失即Uk＝0后电动机不转， 这是怎样做到的呢?下面首先分析
这一点。
第11章 控制电机 前面分析过单相感应电动机定子若只有一相绕组通电时， 其机械特性为过原点(T=0，n＝0)的对称曲线，在其正转电磁
转矩特性曲线 T f (s)
上，T+=T+m时的临界转差率s m 1 ，