第八章控制电机优秀课件.ppt

《第八章控制电机优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章控制电机优秀课件.ppt（91页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第八章控制电机第1页，本讲稿共91页 8.1单相异步电动机第2页，本讲稿共91页8.1.1 单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。定子转子定子绕组第3页，本讲稿共91页220VNS 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流负半周？第4页，本讲稿共91页 定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：+-tm=+-=m/2第5页，本讲稿共91页脉动磁场的分解-+-第6页，本讲稿共91页正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为

2、零。（正向）（反向）正转转反第7页，本讲稿共91页n 可见，起动转矩为零。转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。1当n0时，转矩T0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行2当n0时，转矩T当n=0时，转矩T=0，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。第8页，本讲稿共91页单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动的必要条件是：1）定子具有空间不同相位的两个绕组2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流 第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电

3、流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：第9页，本讲稿共91页8.1.2 单相异步电动机的分类和起动方法1）单相电阻分相起动异步电动机2）单相电容分相起动异步电动机3）单相电容运转异步电动机4）单相电容起动与运转异步电动机5）单相罩极式异步电动机下面，我们分别来看一下，各种类型的单相异步电动机：(一)、分相式异步电动机第10页，本讲稿共91页1、电容分相式起动KDCWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXAXWSTAXAX第11页，本讲稿共91页KDCWST接近90电容分相式单相异步 电动机起动原理第12页，本讲稿共91页KDCWSTAXA X WSTA

4、XAXt=t0NS第13页，本讲稿共91页t=t0WSTAXAXNSWSTAXAXNSt=t1磁场逆时针方向旋转t=t0t=t1 第14页，本讲稿共91页启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理KDCWSTAXA X第15页，本讲稿共91页优点：1）如果电容器的电容量配的合适，可以实现两个电流之间的相位差为90，2）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不象电阻分相时受到限制，从而可以增加一些，使的磁动势增加。这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆形的

5、磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！第16页，本讲稿共91页2、单相电阻分相起动异步电动机第17页，本讲稿共91页第18页，本讲稿共91页 这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。第19页，本讲稿共91页(二)、罩极式单相电机定子磁极转子短路环 定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。第20页

6、，本讲稿共91页第21页，本讲稿共91页 单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。8.1.3单相电机的使用 第23页，本讲稿共91页三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。第24页，本讲

7、稿共91页8.2 测速发电机第25页，本讲稿共91页8.2.1直流测速发电机 直流测速发电机是一种微型直流发电机，其作用是把拖动系统的旋转角速度转变为电压信号。结构：与直流发电机基本相同。工作原理：与直流发电机相同。第26页，本讲稿共91页按励磁方式第27页，本讲稿共91页1、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，因此：当磁通=常数时，发电机的电动势为：E0=Ce0n1）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：U00，显然输出电压U0与n成正比。2）有负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电

8、压为：第28页，本讲稿共91页整理后得第29页，本讲稿共91页 C为直流测速发电机输出特性的斜率，当0、Ra及RL都不变时，输出电压U与转速成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出特性的斜率C不同，负载电阻越小，斜率C也越小，第30页，本讲稿共91页2、误差分析：显然，直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：电枢反应，温度的影响和接触电阻。负 载R 一 定，当 转 速 较 高 时U 较 大，Ia 也 较 大，电 枢 反 应 产 生 的 去 磁 作 用 使 得 磁 通 减 小，输出 电 压 要 降 低，为 了 减 小 电

9、枢 反 应 得 到 这 种作 用，使 用 测 速 发 电 机 时，转 速 范 围 不 要 太大，负 载 电 阻 不 能 太 小，还 可 以 安 装 补 偿 绕组。第31页，本讲稿共91页8.2.2交流测速发电机1、结构介绍：在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90 电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。第32页，本讲稿共91页第33页，本讲稿共91页2、工作原理：工作时，励磁绕组接频率为f的单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势D，1）当转子不动时，脉振磁动势D在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场

10、与励磁电源同频率的脉振磁场D，也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。2）当转子运动时，转子切割直轴磁通D，第34页，本讲稿共91页 在杯型转子中感应产生旋转电势E r，其大小正比于转子转速n，并以励磁磁场 D的脉振频率f交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势E r在杯型转子中产生交流短路电流I r，其大小正比于E r，其频率为E r的交变频率f，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流I r所产生的脉振磁通 q的大小正比于E r，在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场 q与输出绕组相交链而产生感应电势E，据上分析有：第35页，本讲稿共91页n 输出绕组感应产生的电

11、势E实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为励磁电源的频率f。当然，这里也存在着不可避免的误差。第36页，本讲稿共91页 3、误差分析：非线性误差 只有严格保持直轴磁通d不变的前提下，交流异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比，但在实际中直轴磁通d是变化的，为了减小转子漏抗造成的线性误差，异步测速发电机都采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动时切割交轴磁通q而产生的直轴磁势明显减弱。另外，提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高线性度，减小线性误差。第37页，本讲稿共91页 剩

12、余电压 当转子静止时，交流测速发电机的输出电压应当为零，但实际上还会有一个很小的电压输出，此电压称为剩余电压。相位误差 由于励磁的漏阻抗压降，引起U2与U1不完全同相，一般异步测速发电机相位误差1020电角度。第38页，本讲稿共91页 8.3伺服电动机 伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，

13、功率范围一般为0.1100瓦。第39页，本讲稿共91页结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。8.3.1伺服电动机第40页，本讲稿共91页由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT第41页，本讲稿共91页调节特性n 在电磁转矩为常数时，转速与控制信号电压之间

14、的关系曲线称为调节特性n 由机械特性可知n 调节特性是一组平行的直线n 负载转矩不同，始动电压也不同n 失灵区的大小与负载转矩成正比第42页，本讲稿共91页 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：第43页，本讲稿共91页8.3.2 交流伺服电动机第44页，本讲稿共91页8.3.2 交流伺服电动机一、工作原理 伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。第45页，本讲稿共91页第46页，本讲稿共91页1、自转现象：如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控

15、制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。2、如何克服：显然,我们需要的是当控制信号为零时,转子的转速也为零,从机械特性图上我们可以看出,只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的,那么.从我们以前所学的知识可得:第47页，本讲稿共91页n 使电机制动到停止，从而消除“自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的Sm+1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图第48页，本讲稿共91页第49页，

16、本讲稿共91页3、改变控制电压的方法：1）幅值控制：如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制第50页，本讲稿共91页 电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。若控制绕组的额定电压,那么控制信号的大小可表示ccN,称为有效信号系数，那么以cn为基值，控制电压 的标么值为：第51页，本讲稿共91页 当有效信号系数 时，控制电压 与 的幅值相等，相位相差90电角度，且两绕组空间相差90电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当 时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产

17、生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在 时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。n 幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。第52页，本讲稿共91页第53页，本讲稿共91页2）相位控制:这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，与 的频率相同。而 相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差,第54页，本讲稿共91页 Sin称为相位控制的信号系数。改变 与 相位差 的大小，可以改变电机的转速

18、。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。第55页，本讲稿共91页3）幅值相位控制:如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变:第56页，本讲稿共91页 幅度相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。第57页，本讲稿共91页8.4 步进电动机机理：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

19、，改变方向。第58页，本讲稿共91页种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于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。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。第59页，本讲稿共91页一、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。定子转子定子绕组第60页，本讲稿共91页 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。AB

20、C定子转子IAIB IC第61页，本讲稿共91页二、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 第62页，本讲稿共91页（3）工作过程化，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，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A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第63页，本讲稿共91页CABBCA3412

21、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。1C34 2CABBA第64页，本讲稿共91页 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。第65页，本讲稿共91页(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。CABBCA3412第66页，本讲稿共91页所以转子转到两磁拉力

22、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。CABBCA3412第67页，本讲稿共91页总之，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。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。第68页，本讲稿共91页(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CABBCA3412CABBCA3412BC通电第69页，本讲稿共91页以上三种工作方式，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

23、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CABBCA3412第70页，本讲稿共91页三、小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。第71页，本讲稿共91页转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。第72页，本讲稿共91页工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差

24、120，含 120/9=齿 A 相和 C 相差240，含240/9=个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。第73页，本讲稿共91页若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 1.5。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，C 相通电再转3（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐。第74页，本讲稿共91页f：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=

25、3 时步距角第75页，本讲稿共91页8.5 旋转变压器一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。二、分类：根据输出的函数关系的不同，旋转变压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。三、正，余铉旋转变压器第76页，本讲稿共91页1、工作原理：1）空载运行时：旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组D1D2和D3D4，但在空间上相差90。每套绕组的有效匝数为ND，其中D1D2绕组为直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套完全相同的绕组Z1Z2和Z3Z4，在空间上也相差90，每套绕组

26、的有效匝数为NZ。转角：转子上的输出绕组Z1Z2的轴线与定子的直轴之间的角度叫做转子的转角。第77页，本讲稿共91页第78页，本讲稿共91页A：气隙磁场D与输出绕组Z1Z2相交链 的磁通 Z12=Dcos。B：另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为90-，那么气隙磁场D与Z3Z4相交链的磁通 Z34=Dcos（90-）=Dsin，据上述分析，气隙磁场D在励磁绕组中所感生的电动势为：ED12=4.44fNDD相对应的在输出绕组感应的电动势为：第79页，本讲稿共91页EZ12=4.44fNZDcos EZ34=4.44fNZDsin 另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为因而输出绕组Z

27、1Z2和Z3Z4的端电压分别为UZ12=KUDcos UZ34=KUDsin 第80页，本讲稿共91页可见，通过调节转子转角 的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。2）负载运行时：在实际应用中，输出绕组都接有负载，如图所示：第81页，本讲稿共91页第82页，本讲稿共91页输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。这不是我们所希望的，所以我们就要想办法去消除这个畸变。补偿的方法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手。一、二次侧（转子）

28、补偿 方法：第83页，本讲稿共91页第84页，本讲稿共91页 两个完全一样的正余弦输出绕组如果接的负载一样，那么两绕组产生的交轴方向的磁势大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和。注意：上面所阐述的二次侧补偿是有条件的，即ZL=ZL，但如有偏差，交轴方向的磁势不能完全抵消，输出还是有畸变的，为此可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。第85页，本讲稿共91页二、一次侧（定子）：定子的励磁绕组仍接交流电源，而D3D4作为补偿绕组通过阻抗Z或直接短接，在绕组D3D4中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。为了减小误差，使用时常常把一次侧

29、、二次侧补偿同时使用！第86页，本讲稿共91页四、线性旋转变压器：线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角很小的时候近似有Sin=，此时就可看作一台线旋转变压器。在转角不超过4.5 时，线性度在0.1%以内。若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进行改接，定子绕组D1D2与转子绕组Z1Z2串联后接到交流电源 第87页，本讲稿共91页第88页，本讲稿共91页 单相电流接入绕组后产生的脉振磁通d是一个直轴脉振磁通，它与励磁绕组、余弦正弦绕组交链而分别产生感应电动势：ED12=4.44fNDdEZ12=4.44fNZdcos EZ34=4.44fNZdsin 经过化减整理后：第89页，本讲稿共91页 用数学推导可证明，当K=0.52，=60 的范围内，输出电压UZ和转角成线性关系，线性误差不超过0.1%。第90页，本讲稿共91页五、旋转变压器的应用：转变压器常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘除运算微分积分运算，也可在角度传输系统中作自整角机使用。第91页，本讲稿共91页