第二章 印刷设备中常用电机与控制

　　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2－1所示。


　　（1）磁极。磁极是电动机中产生磁场的装置，如图2－2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。





图2－1 直流电动机的主要结构





图2－2 直流电动机的磁极及磁路


1－极心 2－极掌 3－励磁绕组 4－机座


　　（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2－3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2－4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。





图2－3 直流电动机的电枢





图2－4 换向器


　　2．直流电动机的工作原理。图2－5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2－5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2－5所示，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°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面保持不变，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。





图2－5 直流电动机原理图

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2－6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：JJ201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2－7所示，这时电源提供的电流I等于电枢电流I_a和励磁电流I_f之和，即I=I_a+I_f。


　　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。励磁绕电阻大，可使I_f减小，从而减小损耗。由于I_f较小，为了产生足够的主磁通Φ，就应增加绕组的匝数。由于I_f较小，可近似为I=I_a。


　　并励直流电动机的机械特性较好，在负载变时，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。





图2－6 他励电动机





图2－7 并励电动机


　　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2－8所示。串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流I_f就是电枢电流I_a，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。





图2－8 串励电动机


　　串励电动机多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2－9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。





图2－9 复励电动机


　　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：JJ201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30kW，调速范围150-1500r/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型胶印机的水辊传动，采用11EO₃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。JJ201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I_a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=K^T·Φ·I_a


　　式中，K^T－与电机结构有关的常数；


　　Φ－磁极磁通量，单位是韦伯（W_b）；


　　I_a－电枢电流，单位是安（A）；


　　T－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=K_E·Φ·n


　　式中，Φ－磁极磁通量，单位韦伯（W_b）；


　　n－电枢转速，单位是r/min；


　　K_E－与电机结构有关的常数；


　　E－感生电动势，单位是伏特（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2－10所示。因此直流电动机电枢的电压平衡方程式为：


　　U=E+I_aR_a


　　式中，U－电枢外加电源电压；


　　R_a，I_a－电枢绕组的电阻和电流。





图2－10 直流电动机的电枢


　　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，以适应负载的变化，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。当磁通Φ不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流I_a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R_f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：


　　n=E/K_EΦ=U-I_aR_a/K_EΦ=U/K_EΦ-R_a/K_TK_EΦ·T=n₀-△n


　　在上式中，n₀＝E／K_EΦ，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，电动机的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△n＝R_a/K_TK_EΦ·T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R_a引起的。当负载增加时，I_a增大，I_aR_a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2－11所示。由于R_a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。





图2－11 并励电动机的机械特性曲线





图2－12 电枢电路串入电阻起动


　　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


　　I_a＝U－E／R_a


　　因为电枢电阻R_a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=0


　　E=K_E·Φ·n=0。这时的电枢电流为


　　I_ast=U/R_a


　　由于R_a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R_st（图2－12）。这时电枢中的起动电流初始值为：


　　I_ast=U/R_a＋R_st


　　而起动电阻则可由上式确定，即


　　R_st＝R/I_ast－R_a


　　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。


　　例如2－1 Z2－61型并励电动机，P_n=10kW,U=220V,I_n=53.8A,n_n=1500r/min,R_a=0.3Ω,最大励磁功率P_fm=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：


　　I_fm=P_fm/U=260/220=1.18(A)


　　电枢额定电流：


　　I_an=I_n-I_fm=53.8-1.18=52.6(A)


　　直接起动时起动电流为：


　　I_s=U/R_a=220/0.3=733(A)


　　起动电流为额定电枢电流的倍数＝I_s/I_an=733/52.6=13.9


　　若将起动电流限制为额定电枢电流的2倍，即


　　U/R_a+R_s=2I_an


　　则起动电阻值为：


　　R_s=U/2I_anR_a/2I_an=220-2×52.6×0.3/2×52.6=1.79(Ω)


　　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去，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装态，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=K_TΦI_a)，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车，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


　　n=U-I_aR_a/K_EΦ


　　可知，R_a、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R_f，改变励磁电流I_f以改变磁通量，如图2－13所示。由于


　　n=U/K_EΦ-R_a/K_TK_EΦ·T


　　可知磁通Φ减少时，n₀升高，转速降△n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2－14所示。在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通(Φ＜Φ_n)，将转速往上调(n＞n_n。





图2－13 改变电动机磁通调速





图2－14 改变磁通量Φ时的机械特性曲线


　　调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=K_E·Φ·n就减小，I_a随之增加。由于I_a增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=K_TΦI_a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，I_a和T也着减小，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I_a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=K_TΦI_a，故减小磁通量Φ后I_a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2－2 有一并励电动机，已知U=110V，E=90V，R_a=20Ω，I_a=1A，n=300r/min，为了提高转速，调节励磁电阻R_f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减小10％，即Φ′=0.9Φ，所以电流必须增大到I_a′，以维持转矩不变，即


　　K_T·Φ′·I_a′=K_T·Φ·I_a


　　I_a′=ΦI_a/Φ′=1/0.9=1.11(A)


　　磁通减小后的转速n′对原来的转速n之比为：


　　n′/n=(E′/K_EΦ′)/(E/K_EΦ)=E′Φ/EΦ′=(U-I_a′R<sub>a)Φ/U-I_aR_a)Φ′=(110-1.11×20)×1/(110-1×20)×0.9=1.08


　　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I_f为额定值时，降低电枢电压U，则由


　　n=U/K_T·Φ-R_a/K_E·K_T·Φ²·T


　　可见，n₀变低了，但△n未改变。因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线，如图2－15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_n)。


　　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I_a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，I_a和T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，并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。


　　例如2－3 有一他励电动机，已知：U=220V,I=53.8A，n=1500r/min，R_a=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=K_T·Φ·I_a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


　　n′/n=(E′/K_E·Φ)/(E/K_E·Φ)=E′/E=(U-I_a·R_a)/U-I_a·R_a)=110-53.8×0.7/220-53.8×0.7=0.4


　　即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的40％。

[时间：2001-11-20  作者：杨皋 张长峰  来源：《印刷设备电路与控制》·第二章 印刷设备中常用电机与控制]