电机拖动课件---第六章-控制电机

第六章控制电机•第一节伺服电动机•亦称执行电动机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。•常用的伺服电动机有交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。•一、交流伺服电动机•（一）工作原理•为了讲解伺服电动机的工作原理，先简单讲述单相异步电动机的工作原理。•单相异步电动机的定子绕组由单相电源供电，定子上有一个或两个绕组。•单相正弦电流通过定子绕组时，产生交变脉动磁场。所谓脉动磁场就是空间位置固定，大小随时间变化的磁场。•三相异步电动机转子转动的必要条件有哪些？•单相异步电动机的定子绕组中有单相正弦电流通过，各点磁感应强度按正弦规律分布，随电流在时间上作正弦交变，而交变脉动磁场可分成两个旋转磁场，它们以同一转速n0在相反的方向旋转（），它们的磁感应强度•的幅值相等，且幅值大小为脉动磁•场磁感应强度幅值的一半。•在t＝0时，两个旋转磁场的磁感应•强度矢量和相反，其合成磁感•应强度B＝0。到t＝t1时，和按•相反方向各在空间转过ωt1角，故合成磁感应强度：•同样，在任意瞬时t：pfn1060mBmBmBmBmB•如果转子是静止的，则分成的两个转向相反的旋转磁场分别在转子中感应出大小相等、方向相反的电动势和电流，因此产生的转距也大小相等，方向相反而互相抵消，即起动转距为零。•如果电动机的转子借助外力向任意方向以转速n开始转动，则•与电动机转子转向相同的正向旋转磁场对转子的作用和三相异步电动机一样且•而反向旋转磁场与转子间的相对转速很大，转差率为：•因此反向旋转磁场在转子中产生的感应电动势很大，电流的频率：•也很大，在此频率下，转子绕组（线圈）的感抗很大，由异步电动机电磁转距的表达式：•因为感抗大，所以很小，所以合成转距的方向就是与转子转动相同的方向，这样转子就可继续转动。•由此可知，要使单相异步电动机能持续不停地转动，首先因使电动机的转子转动，如何使电动机的转子转动？22cosI•在主绕组A之外另加一套辅助绕组B，两者在空间上相差90°，当通入相位相差约90°的两相电流时，也能产生旋转磁场，使电动机转动，当电动机达到额定转速时，再断开辅助绕组中的电源。•产生相位相差的电源的方法之一，是在辅助绕组中串入电容：•由于单相异步电动机的转差率较大，因而其功率因素降低，加之作用了一个反向转距，且产生磁通Φ的磁感应强度的幅值较小，•因此，单相异步电动机的功率因素和效率都降低，主要制成功率为几百瓦的小型电动机。•问题：三相异步电动机断了一根电源线后，电动机是否能转动？•交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似，当它在系统中运行时，励磁绕组固定地接到电•源上，控制电压为零时，气隙内磁•场为脉振磁场，电动机无起动转矩，•转子不转。若有控制电压加在控制•绕组上，且控制绕组内流过的电流•和励磁绕组内的电流不同相，相当•于单相异步电动机的辅助绕组中通•入了电流，在气隙内建立了一定大•小的旋转磁场，因此电动机有了起•动转矩，转子就旋转起来。mB•但随之出现的问题是，单相异步电动机开始转动后即使控制电路中的信号消失（即无控制电压，控制绕组中无电流），电动机仍将继续转动，这不符合“信号来到，转子立即转动；信号消失，转子能即时自行停转。”的要求。•单相异步电动机在正常运行时，正、反向机械特性以及合成机械特性见下左侧的图所示，因而不能满足上述要求•解决的办法：增大转子电阻，根据前面所分析的异步电动机的机械特性，最大转矩所对应的临界转差率Sm随转子电阻的增加而变大当时，也可写成，•则正、反向的机械特性必呈现S＋＝1，M＋＝Mmax，S-＝1，M-＝Mmax-，因此正、反向机械特性以及合成机械特性如下右侧的图0212xxr•从合成的机械特性看出，当单相励磁时，•在电动机运行范围内（0＜S＋＜l），•出现负转矩，从而产生制动转矩。•如果使交流伺服电动机的转子电•阻满足条件，•它在系统中运行时，控制电压为•零，信号消失后，便出现负转矩，•转子能自行停转。所以为了克服自转现象，以防止误动作，必须将转子电阻设计为满足≥1。•但转子电阻不能过大，否则会降低交流伺服电动机的起动转矩，以致影响其适应性。•（二）结构特点•伺服电动机转子的结构有笼型和杯形两种，因要求伺服电动机的动作灵敏，为了减小转子的转动惯量，笼型转子作得细而薄，杯形转子是用铝合金或铜合金等非磁性材料制成的空心薄壁圆筒。•使用非磁性材料的原因是避免出现当定、转子的气隙不均匀时，转子被单边磁拉力“吸住”的现象。•（三）控制方法•除具有起动和停止的伺服性，还须具有转速的大小和方向的可控性。•控制转动的方法是改变控制电压Uk的相位180°，因为假设若控制绕组内的电流原来为超前于励磁电流，相位改变了180°，即变为滞后于励磁电流。由旋转磁场理论可知，旋转磁场的旋转方向是电流超前相的绕组转向滞后相的绕组，于是电动机的旋转方向也改变了。•改变转速的大小是改变控制电压Uk的大小，由•知，当Uk改变，则Φm改变（由知），电动机的转速也随之改变。•具体执行时是通过改变正转与反转旋转磁动势大小的比例来改变正转和反转电磁转矩的大小，从而达到改变合成电磁转矩和转速的目的。11144.4NXKfNE•二、直流伺服电动机•直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，只是做得细长一些，以减小转动惯量。因其功率不大，励磁部分可由永久磁铁制成，以省去励磁绕组。其励磁方式几乎只采取他励式（永磁式亦可认为是他励式）。•直流伺服电动机的工作原理和普通直流电动机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通相互作用而产生转矩使伺服电动机转动。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不像交流伺服电动机那样有“自转”现象。•（一）控制方式•可利用改变电枢绕组端电压或改变励磁电流的方法进行调速。•即可由励磁绕组励磁，用电枢绕组来进行控制；或由电枢绕组励磁，用励磁绕组来进行控制。两种控制方式的特性有所不同。•以下可进行分析。•因伺服电动机的功率一般较小，假定磁路不饱和，可不计电枢反应。•1．电枢控制时直流伺服电动机的特性•即将励磁绕组接于恒定电压为Uf的直流电源上（或用永久磁铁），使其中通过电流If以产生磁通Φ。电枢绕组接控制电压Uk，即为控制绕组。控制绕组接到控制电压以后，电动机就转动，控制电压消失，电动机立即停转。电枢控制时，直流伺服电动机的机械特性和他励式直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性一样，即Uk＝常数，M＝f（n），其表达式为•由于认为磁路是不饱和的，并•不计电枢反应，可得•或•规定控制电压Uk与励磁电压Uf之比值为信号系数α，即•将α及代入•可得•将控制电压等于励磁电压（即α＝1）和电枢不动（即n＝0）时的转距用MB表示,即•将控制电压等于励磁电压时的理想空载（即M＝0）转速用nB表示，即•由上面的分析式可得相对表达式•由上式可以看到，当α＝常数时，直流伺服电动机的机械特性，显然是线性的。•上式还可变为：•即为常数时的调节特性，也呈线性变化。•从以上分析可得出，电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的（图中均为相对量，直观），并且特性的线性关系与电枢电阻无关，因而其特性曲线簇是一组平行线。另外，由于励磁绕组进行励磁时，所消耗的功率较小，并且电枢电路的电感小，时间常数小，响应迅速，所以直流伺服电动机多采用电枢控制方式。•2．磁场控制时直流伺服电动机的特性•此时的机械特性方程为：•其中•而机械特性和调节特性相对值的表达式分别为：•机械特性和调节特性相对值的图形如下：•由图知，当α＜1时，磁场控制的机械•特性较为平坦，也就是说，在转速变•化比较大时，转矩变化较小。磁场控制时的调节特性不是线性的，而且在m＝M／MB＝0～0.5范围内不是单值函数，每个转速时应有两个信号系数，这是磁场控制最严重的缺点。因此直流伺服电动机较少采用磁场控制的方式。第二节测速发电机•测速发电机把机械转速变为电压信号，输出的电压与转速成正比关系，在自动控制系统和计算装置中作检测元件、解算元件、角速度信号元件等。•测速发电机也可分为直流和交流两大类。•一、直流测速发电机•与直流伺服电动机类似，有电磁式直流测速发电机，即微型他励直流发电机；和永磁式直流测速发电机，即磁极为永久磁铁的微型直流发电机这两种型式。•直流测速发电机结构与原理都与直流发电机相同。•当每极磁通Φ为常数时，发电机的电动势为：•若负载电阻为R，其输出电压为•即•由式知•输出电压U与转速n成正比，负载时•U＜Ea，空载时R→∞，U＝Ea。•U＝Cn为直线，如右图，其中曲线1•为空载时的输出特性，曲线2为负载•时的输出特性。•当负载电阻R一定时，若转速较高，则U、Ia都较大，电枢反应产生去磁作用使磁通Φ减小，输出电压U相应要降低，输出特性由直线2变成了曲线3。这对测速计算不利，所以使用直流测速发电机时，转速范围不要太大，且负载电阻不能太小（因为R太小则Ia增大，去磁作用增强）。电磁式直流测速发电机可以通过安装补偿绕组改善其性能。•它的技术参数中列有最小负载电阻和最高转速等项目。•但转速太低时由于电刷接触压降的影响，也存在着失灵区。•由于直流测速发电机存在上述缺点，因而又有•二、交流测速发电机•只简单讲述应用广泛的是空心杯转子异步测速发电机。•1.结构同杯形转子伺服电动机。•其定子上有两相互相垂直的分布绕组，其中一相为励磁绕组，另一相为输出绕组。杯形转子可视作由无数并联的导体组成，和鼠笼转子一样。•在测速发电机静止时，励磁绕组接到交流电源上，在励磁绕组的轴线上产生一个交变脉动磁通Φd，由于这脉动磁通与输出绕组的轴线垂直，故输出绕组中并无感应电动势，输出电压为零。•当测速发电机由被测转动轴驱动而旋转时，转子切割纵轴磁通产生电动势Er，其方向用右手定则确定，因而Er在转子中产生的电流就建立了横轴方向的磁动势Frq，该磁动势切割输出绕组时即产生感应电动势E2。这样就有电压：•输出。•因励磁绕组纵向脉动磁通为Φd，由变压器•磁通所产生的电动势•也即U1正比于Φd。由电磁定理，导条切•割电动势的大小，与导条所在处的磁密大•小、与导条和磁密的相对切割•速度成正比。即•如果忽略转子漏阻抗中的漏电•抗，而认为只有电阻存在。则•切割电动势Er在转子中产生的•电流，与电动势Er本身同方向、同相位，该电流建立的磁动势在横轴方向建立的磁动势Frq的大小正比于Er，即•忽略励磁绕组漏阻抗时，U1＝E1，只要电源电压U1不变，纵轴磁通Φd为常数，测速发电机输出电动势E2和输出电压U2都与发电机转速n成正比。转动方向改变后，E2的相位也改变180°。2222RIEUdfNE1144.4•因此转速信号就转换为电压信号。•其输出特性曲线见右图。•测速发电机不采用笼型转子，而•采用电阻率高的非磁性空心杯转•子，以减小其阻抗角φ2，满足输•出特性的线性要求。•第四节自整角机•自整角机用于同步连接系统中。最简单的同步连接系统由一台发送机和一台接收机组成，两机之间用导线连接起来。当发送机的转子转动任一角度，则接收机的转子也将跟着转过同一角度，故称为自整角机。•自整角机在遥控及随动系统等自动装置中应用广泛。•一、三相自整角机•将两台相同的三相绕线式异步电动机Ⅰ和Ⅱ的定子绕组接到同一电网、转子绕组也对应地连接在一起即成。••当两电动机的转子具有相同的空间位置时，它们的转子电动势和互相平衡。若取两电动机转子的电动势、电流正方向如图中箭头所示，则得＝0，I2＝0，故两电动机转子中没有电流，从而没有电磁转矩，两电动机转子处于静止状态。••设电动机Ⅱ的转子被堵住不动，用外力将Ⅰ的转子顺着旋转磁场分的转向转过一电角度θ，相量的位置应也滞后一个θ角，因而旋转磁场ΦⅠ的波幅到达转子绕组轴线的时刻要延迟相当于转θ角度所需要的时间。可得其相量图，从图见，这时两电动机转子绕组构成的回路存在着合成电动势，而产•生的转子电流•I2滞后于的角度φ2为：•••对于式•由于两电动机的转子