2019年第12章驱动与控制用微特电机12894.ppt

第12章驱动与控制用微特电机刘锦波山东大学控制科学与工程学院内容简介各类微型驱动电机和控制电机（单相异步电动机、交、直流伺服电动机、交、直流测速发电机、旋转变压器、自整角机、直线电动机以及超声波电动机）的结构、工作原理与运行特性。微特电机的分类：驱动微电机:在电力拖动系统中作为执行机构使用,如单相异步电机、伺服电机、力矩电机、直线电机以及超声波电机等；控制电机：在电力拖动系统中以完成信号的转换和传递为目的，如测速发电机、自整角机以及旋转变压器等。12.1单相异步电动机单相异步电动机：单相异步电动机是单相电源供电异步电动机的总称。它一般是由定子两相绕组和转子鼠笼绕组组成。A、单相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性单相异步电动机的结构如图12.1a所示。图12.1单相异步电动机的结构图与磁场情况图12.1中，定子包括两相绕组：一相为主绕组（又称为工作绕组）；另一相为起动绕组（又称为辅绕组），两相定子绕组空间互差，转子为鼠笼式结构。90主绕组单独通电、起动绕组开路时异步电动机所产生电磁转矩的分析：利用6.5节的结论：单相绕组通以单相正弦交流电流将产生脉振磁势。该脉振磁势可分解为两个幅值相等（大小为脉振磁势幅值的一半）、转速相同（均为同步速）且转向相反的旋转磁势（见图12.1b），其解析表达式可由下式给出：（6-56）式中，两个旋转磁势、将分别产生两个转向相反的旋转磁场。旋转磁场分别切割转子绕组，在转子绕组中感应电势和电流。定子旋转磁场与转子感应电流相互作用分别在转子上产生正、反转的电磁转矩和。其中，对正向旋转磁场而言，转子的转差率为：),(tf),(tfemTemTsnnns11（12-1）对于反向旋转磁场而言，转子的转差率为：snnnnnnns2)(2)(11111（12-2）考虑到正、反转旋转磁势的幅值相等、且其幅值均为脉振磁势幅值的一半，因此相应的激磁电抗、漏电抗以及转子绕组电阻均可平均分配。这样，借助于三相异步电机的等效电路便可得到单相异步电动机的等效电路，如图12.2所示。图12.2单相异步电动机的等效电路根据图12.2所示的等效电路，同时忽略激磁电流，则单相异步电动机的电磁转矩可通过下式求得：（12-3）其中，转子电流为：22122211222][])2(22[xxsrsrrUIII（12-4）图12.3分别给出了正向旋转磁场所产生的电磁转矩与转差率之间的关系和反向旋转磁场所产生的电磁转矩与转差率之间的关系，以及上述两条曲线的合成结果即单相异步电动机总的电磁转矩与转差率之间的关系。纵、横坐标颠倒即得到单相异步电动机的机械特性,如图12.3b所示。emTsemTs)(sfTem)(sfTememTs()emnfT图12.3单相异步电动机的曲线与机械特性sTem()emnfT结论：对于单相绕组，当转速为零时，合成电磁转矩为零。亦即单相绕组通电不会产生起动转矩；一旦在外力作用下转子沿某一方向开始旋转，则合成电磁转矩将不再为零。即使外力去掉，转子仍将沿该方向继续旋转。因此，转子的转向取决于刚开始施加外力的方向；理想空载转速低于同步速，即，表明单相异步电动机的额定转差率高于普通三相异步电动机。10nnB、两相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性a、两相绕组通电时异步电动机的旋转磁场设单相异步电动机主、辅绕组（见图12.1a）空间互成，其有效匝数分别为、，主、辅绕组分别通入如下电流：90)(1mwMkN)(1AwAkN)90cos(2cos2tIitIiAAMM(12-5)根据6.5节，主、副绕组所产生的定子基波磁势可分别表示为：)cos(2)cos(2coscos),(tFtFtFtfMMMM)cos(2)cos(2)90cos()90cos(),(tFtFtFtfAAAA(12-6)(12-7)式中，主、辅绕组脉振磁势的基波幅值分别为：MMwMMIpkNF)(19.0AAwAAIpkNF)(19.0，式中，正向旋转磁势的幅值为；反向旋转磁势的幅值为。由于两种旋转磁势的幅值不相等，且转向相反，其合成磁势为一幅值变化的椭圆形旋转磁势，如图12.5所示。)(21AMFFF)(21AMFFF图12.5定子电流产生的椭圆形旋转磁势则定子基波合成磁势为：)cos()cos(),(),(),(1tFtFtftftfAM(12-8)图12.5中，定子合成磁势沿x轴、y轴的分量分别为：tFFtFtFytFFtFtFxsin)(sinsincos)(coscos（12-9）则定子基波合成磁势的轨迹为：1)()(2222FFyFFx（12-10）结论：两相定子绕组通以两相对称电流所产生的定子基波合成磁势为椭圆形旋转磁势。b、两相绕组异步电动机的机械特性根据上述椭圆形旋转磁场的结论并采用类似于12.1.1节的方法便可以获得两相绕组异步电动机的机械特性。图12.6给出了两相绕组异步电动机当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流，且时的机械特性。FF图12.6两相绕组异步电动机的机械特性结论：当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流时，两相绕组异步电动机则产生起动转矩。C、单相异步电动机的类型a、电阻分相式单相电动机图12.7电阻分相式单相异步电动机特点：主、辅绕组（或起动绕组）空间互差；辅绕组的电阻与电抗的比值比主绕组高，以确保同一电压作用下两绕组所流过的电流相位不同；90图12.7中的离心开关K为常闭触点，当接至单相交流电源时，由于两相绕组分别通以两相不对称电流，电动机会因椭圆形旋转磁场而产生起动转矩。一旦转子转速达75~80%额定转速时，离心开关K断开，辅绕组脱离电源，仅主绕组工作。图12.8给出了电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线。图12.8电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线b、电容起动式单相电动机图12.9电容单相起动式异步电动机特点：主、辅绕组的匝数一般相等（也可以不同）；副绕组是通过与电容C以及离心开关K串联后与电源并联。由于电容的作用，副绕组中的电流超前主绕组中的电流接近，从而使得定子旋转磁势接近圆形，可以获得较大的起动转矩，且起动电流较小。aImI90图12.10给出了单相电容起动式异步电动机的典型机械特性曲线。图12.10电容起动式单相异步电动机的典型机械特性曲线c、电容起动与运转式单相电动机图12.11电容起动与运转式异步电动机的接线图特点：辅绕组中采用了两个电容器，一个是运行电容；一个为起动电容，且仅起动电容与离心开关串联；上述方案可确保起动与运行时均获得接近圆形的气隙合成旋转磁势，从而既可以获得较大的起动转矩又可以提高运行时的最大电磁转矩。图12.12给出了电容起动与运转式单相异步电动机的典型机械特性曲线。图12.12电容起动与运转式异步电动机的典型机械特性曲线d、罩极式单相电动机图12.13单相罩极式异步电动机的结构示意图特点：定子采用凸极式结构，主磁极上装有工作绕组；在每个磁极的约1/3处开有小槽，其上套有铜短路环（相当于起动绕组）。当主极绕组通电后，流过主极但不流过短路环的磁通为；流过短路环的磁通由两部分组成：，其中，是由主极绕组电流所产生的，是由在短路环中的感应电流所产生的；由图12.13b可见，磁通与在时间上存在相位差。导致转子由未罩部分向被罩部分方向旋转。k2321kkI13结论：罩极式电动机转子的转向是固定不变的。单相罩极式电动机典型的机械特性曲线如图12.12c所示。12.2伺服电动机定义：伺服电动机是一种把输入控制信号转变为角位移或角速度输出的电动机。分类：A、直流伺服电动机直流伺服电动机主要采用两种控制方式：（1）电枢控制方式；（2）磁场控制。电枢控制是将定子绕组作为激磁绕组、电枢绕组作为控制绕组的一种控制方式。设控制电压为，主磁通保持不变，忽略电枢反应，则直流伺服电动机的机械特性为：aUememTeaeaTnTCCRCUn02（12-11）根据上式，便可以分别获得直流伺服电动机的机械特性和调节特性。a、机械特性定义：在控制电压一定的条件下，转子转速与电磁转矩之间的关系曲线定义为机械特性。)(emTfn根据式（12-11），绘出不同控制电压下的机械特性如图12.14所示。aU图12.14直流伺服电动机的机械特性b、调节特性定义：在负载转矩保持不变的条件下，转子转速与控制电压之间的关系曲线定义为调节特性。)(aUfn根据式（12-11）便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图12.15所示。图12.15直流伺服电动机的调节特性始动电压的概念：直流伺服电动机的调节特性与横坐标的交点称为一定负载转矩下电动机的始动电压。0aU显然，对于一定大小的负载，直流伺服电动机存在着死区（或失灵区），死区的大小与负载转矩成正比。B、交流伺服电动机结构特点：定子两相绕组空间互成。一相绕组作为激磁绕组，直接接至单相交流电源上；另一相作为控制绕组，其输入为控制电压。90a、对交流伺服电动机的特殊要求与普通异步电动机不同,交流伺服电动机需满足:（1）机械特性为线性；（2）控制信号消失后转子无“自转”现象。（1）对于普通异步电动机，其机械特性如图12.16中的曲线1所示。显然，在整个电动机运行范围内，其机械特性不是转矩的单值函数。图12.16异步电动机的机械特性说明如下：转子电阻较大，确保线性的机械特性为了满足交流伺服电动机线性机械特性的要求，通常的做法是：加大转子电阻，以使得产生最大电磁转矩时的转差率。相应的交流伺服电动机的机械特性如图12.16中的曲线2所示。显然，电动机的机械特性在整个调速范围（）内接近线性。1ms1~0n（2）控制信号消失后转子无”自转“现象是指：伺服电动机在控制信号为零时，能够自行停车。图12.17a给出了普通驱动异步电动机一相绕组通电时的机械特性，此时转子电阻较小。图12.17a同时给出了两相绕组交流伺服电动机一相通电（即控制电压为零）且转子电阻较大时的机械特性。图12.17两相交流异步电动机一相供电时的机械特性交流伺服电动机的转子电阻足够大普通交流电动机转子电阻较小普通交流电动机转子电阻增加由图12.17a可见：对于普通异步电动机，若一相绕组通电时（相当于控制电压为零），由于转子电阻较小，正转运行中的电动机仍存在正向电磁转矩；对于交流伺服电动机，若控制电压为零，由于转子电阻较大，则正转运行中的电动机仍存在负向电磁转矩，因而控制电压消失后转子不会”自转“。结论：与一般异步电动机相比，两相交流伺服电动机的转子电阻较大，因而其机械特性在整个调速范围内接近线性，且一相绕组通电（即控制电压为零）时转子无“自转”现象发生。b、控制方式与运行特性在保持励磁电压不变的条件下，交流伺服电动机的控制方式：幅值控制相位控制幅-相控制（1）幅值控制时的运行特性图12.18交流伺服电动机幅值控制时的接线图有效信号系数：设控制绕组的外加电压为，其额定电压为，则有效信号系数可定义为：cUcNUcNcUU当时，相应的气隙合成磁势为圆形旋转磁势；当时，由于定子绕组仅励磁绕组一相供电，相应的气隙合成磁势为脉振磁势；当时，相应的气隙合成磁势为椭圆形旋转磁势。1010根据上述结论，得为不同值时的机械特性曲线如图12.19a所示。图12.19交流伺服电动机幅值控制时的机械特性与调节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，如图12.19b所示。（2）相位控制时的运行特性图12.20交流伺服电动机相位控制时的接线图相位控制时的信号系数：设控制电压滞后与励磁电压的相位为，则定义为相位控制时的信号系数。sin当时，相应的气隙合成磁势为圆形旋转磁势；当时，相应的气隙合成磁势为脉振磁势；当