大学考研-电动与拖动课件-第9章控制电机

LFChun制作大连理工大学电气工程系第9章控制电机9.2直流力矩电动机9.3步进电动机9.4测速发电机9.5自整角机9.6旋转变压器*9.7感应同步器9.1伺服电动机第9章控制电机9.2直流力矩电动机9.3步进电动机9.4测速发电机9.5自整角机9.6旋转变压器*9.7感应同步器9.1伺服电动机电机与拖动返回主页大连理工大学电气工程系9.1伺服电动机伺服电动机——执行电动机。功能将电压信号转换成转角或转速信号。种类直流伺服电动机、交流伺服电动机。1.直流伺服电动机2.交流伺服电动机第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、直流伺服电动机1.基本结构与普通小型直流电动机相同。励磁方式电磁式：永磁式：+Ua－电磁式9.1伺服电动机If+Uf－他励式、并励式、串励式。稀土永磁材料+Ua－永磁式（如稀土钴、稀土钕铁硼）。SMIaEESMIa大连理工大学电气工程系2.工作原理施加Ua→Ia主磁通：ΦT→n→E电磁转矩：T=CTΦIa电动势：E=CEΦn电枢电路电压方程：Ua=E+RaIan=UaCEΦ－RaCECTΦ2T9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系3.控制方式及其特性(1)电枢控制式Uf=UfN，Ua=Uc（控制电压）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTnUc3Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性9.1伺服电动机T1T2T3T3＞T2＞T1控制特性OUcn大连理工大学电气工程系(2)磁场控制式Ua=UaN，Uf=Uc（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则Φ=CΦUf=CΦUcn=UaNCECΦUc－RaCECTCΦ2Uc2TUc3Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性控制特性非线性。直流伺服电动机的功率1~600W。9.1伺服电动机OTn大连理工大学电气工程系1.基本结构(1)定子(2)转子二、交流伺服电动机空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图9.1伺服电动机转子内定子外定子绕组转轴大连理工大学电气工程系(1)当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时。对称两相运行→ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差→圆形磁通势的幅值→T→n。2.工作原理SM~控制绕组励磁绕组＋Uc－＋Uf－9.1伺服电动机cfIcIf大连理工大学电气工程系(2)当uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位时。电动机处在单相状态→脉振磁通势F0。静止时：n=0，F0FFFR→TF→TRT=TF－TRTF=TR，T=0，不能起动；正在运行时：T≠0，转子继续旋转——单相自转！TOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通异步电动机nTOR2n=f(TF)n=f(TR)n=f(T)交流伺服电动机9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系(3)Uf=UN，Uc＜UN且保持相位差为90o时，或者Uf=Uc=UN但两者的相位差小于90o时。电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。9.1伺服电动机SM~＋Uc－＋Uf－cfFcFfIcIf椭圆形旋转磁通势的产生椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)OFωtFfFfmFcmFcF=Fc45oFcFfF90oF=Ff135oFcFfF180oF=Fc225oFcFfF270oF=Ff315oFcFfF360oF=Fc9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系OFωtFfFfmFcmFc45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o大连理工大学电气工程系ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)大连理工大学电气工程系OFωtFfFfmFcmFcωt=0o45o90o135o180o225o270o315o9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的产生(uc和uf大小不相等时)大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωtF=Fc/2FcFfF90oFfFcF90o+2FfFcF180oF=Fc180o+2FcFfF270oFfFcF270o+2FfFcF360oF=Fc9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的产生(＜90o时)大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωt/290o90o+2180o180o+2270o270o+2360o90o290o+2180o180o+2270o2270o+ωt=0o360o9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的产生(＜90o时)大连理工大学电气工程系9.1伺服电动机90o290o+2180o180o+2270o2270o+ωt=0o360o大连理工大学电气工程系FfFfm=FcmFcOFωt椭圆形旋转磁通势的产生(＜90o时)ωt=0o90o2180o270o90o+2180o+2270o+29.1伺服电动机大连理工大学电气工程系椭圆形旋转磁通势的分解FRFFF9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系FRFFF9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系FRFFF结论：①一个椭圆形旋转磁通势F可以分解为两个不等幅、等速的相向旋转的圆形磁通势FF和FR。FFFFR→TF→TRT=TF－TR9.1伺服电动机椭圆形旋转磁通势的分解大连理工大学电气工程系②工作状态越不对称，FF和FR相差越小，椭圆形越扁长，T越小，n越低。例如保持=90o和Uf不变，改变Uc的大小Uc由0UfFF增强FR减弱0＜n＜nmax椭圆形旋转磁场两个旋转磁场（脉振磁场）一个旋转磁场③如果改变uc的相位，则F的旋转方向改变，使T反向，从而改变n的方向。9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系(1)两相控制保持=90o和Uc=Uf，同时改变Uc和Uf的大小（始终为对称运行）。(2)幅值控制保持=90o和Uf=UN，改变Uc的大小。(3)相位控制保持Uc=Uf=UN，改变的大小。(4)幅相控制同时改变uc的大小和相位。※交流伺服电动机的功率和频率：0.1~100W，50Hz、400Hz等。3.控制方式9.1伺服电动机大连理工大学电气工程系交流伺服电动机9.1伺服电动机更多的图片大连理工大学电气工程系交流伺服电动机9.1伺服电动机更多的图片大连理工大学电气工程系9.2直流力矩电动机（MT）一种特殊类型的伺服电动机。主要特点能长期处于堵转状态下工作。低转速、高转矩。反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。用途用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。1.基本结构2.工作原理第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、基本结构NSNS刷架环转子绕组电刷结构特点扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。有分装式和内装式两种结构形式。直流力矩电动机的结构式意图转子铁心9.2直流力矩电动机定子大连理工大学电气工程系直流力矩电动机9.2直流力矩电动机更多的图片大连理工大学电气工程系1.长期堵转运行时，要求温度≤max。与max对应的Iamax称为连续堵转电流Ib。与Ib对应的有：连续堵转转矩Tb、连续堵转电压Ub、连续堵转功率Pb。Pb=UbIb，二、工作原理Ib=（Ra为电枢电阻）UbRa2.受定子永磁体去磁条件限制的参数峰值堵转电流IP、峰值堵转转矩Tb、峰值堵转电压UP、峰值堵转功率PP。PP=UPIP，IP=（Ra为电枢电阻）UPRa9.2直流力矩电动机大连理工大学电气工程系9.3步进电动机功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号。转角θ∝脉冲信号的个数；转速n∝脉冲信号的频率。用途高精度的角度控制。分类按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。1.基本结构2.工作原理第9章控制电机与电源、负载、环境等因素无关大连理工大学电气工程系14231.定子2.转子一、基本结构U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图9.3步进电机大连理工大学电气工程系步进电动机的典型结构9.3步进电机U2U1W2W1V1V2大连理工大学电气工程系二、工作原理一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）9.3步进电机大连理工大学电气工程系1423U1U2V1V2W2W11.m相单m拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：U相→V相→W相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W1②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电9.3步进电机1423一步两步三步※步距角：θ=30°大连理工大学电气工程系2.m相双m拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：UV相→VW相→WU相。U1U2V1V2W2W1①UV相通电U1U2V1V2W2W1②VW相通电U1U2V1V2W2W1③WU相通电※步距角：θ=30°9.3步进电机大连理工大学电气工程系3.m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11U1U2V1V2W2W12U1U2V1V2W2W13U1U2V1V2W2W14U1U2V1V2W2W15U1U2V1V2W2W161423※步距角：θ=15°9.3步进电机大连理工大学电气工程系步距角θ=360°zNz：转子齿数N：拍数转速一个θ→转(1/zN)圈，脉冲频率为f→每秒转(f/zN)圈。n=60fzN例如：三相步进电动机z=40，则①采用单/双三拍时：②采用三相六拍时：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°9.3步进电机大连理工大学电气工程系步进电动机的参数脉冲放大器步进电动机脉冲分配器脉冲输入负载驱动电源最大静转矩、起动频率、运行频率。步进电动机的控制方式9.3步进电机大连理工大学电气工程系步进电动机9.3步进电机更多的图片大连理工大学电气工程系步进电动机9.3步进电机更多的图片大连理工大学电气工程系步进电动机PK系列：5相为0.72°步距角的大转矩、低振动步进电动机。2相为0.9°~1.8°步距角的大转矩、低振动步进电动机。9.3步进电机5相步进电动机更多的图片大连理工大学电气工程系9.4测速发电机（TG）功能将转速信号转换成与之成正比的电压信号。用途校正元件、计算元件。种类1.直流测速发电机2.交流测速发电机第9章控制电机大连理工大学电气工程系一、直流测速发电机1.基本结构与普通小型直流发电机相同。励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。＋Uf－If电磁式9.4测速发电机永磁式2.工作原理空载时：U=E=CEΦn负载时：U=E－RaITGRLI＋U－ETGRLEI＋U－大连理工大学电气工程系U=CEΦn－RaURLU=nCEΦ1+RaRLU∝nRL→∞RL2RL1UnORL2＞RL1产生误差的原因①电枢反应。②环境温度的变化，引起各绕组的电阻值变化。③负载变化，引起电刷与换向器接触电阻的变化。9.4测速发电机大连理工大学电气工程系二、交流测速发电机1.基本结构定子：转子：2.工作原理定子铁心上有两相对称绕组。笼型、杯型。输出绕组励磁绕组－Uf＋IfΦd正弦交流uf→if→ΦdΦd=Φdmsinωt(1)转子静止时励磁绕组→一次绕组转子绕组→二次绕组××··Ed→Ef→Ed→Id9.4测速发电机Ef大连理工大学电气工程系IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfΦdEd忽略励磁绕组的漏阻抗，则Uf=－Ef=j4.44fkwfNfΦdm输出绕组：与Φd无交链，不会产生E0。即：n=0时，U0=0。＋U0－Ed=－j4.44fkwrNrΦdm9.4测速发电机Ef大连理工大学电气工程系－Uf＋IfΦdEd(2)转子旋转时Φd交变感