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1、XX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,返回主页,电机与拖动,XX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,XX理工
2、大学电气工程系,1. 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,+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)。,XX理工大学电气工程系,(2) 工作原理,施加 Ua,Ia,主磁通: ,T,n,E,电磁转矩: T = CT Ia 电动势: E = CE n电枢电路电压方程: Ua = E + Ra Ia,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,(3) 控制方式及其特性, 电枢控制式 Uf = UfN ,,Ua = Uc(控制电压),Uc3Uc2Uc1,机械特性,
3、9.1 伺服电动机,T3T2T1,控制特性,XX理工大学电气工程系, 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 = CUf = C Uc,UC3Uc2Uc1,机械特性,控制特性 非线性。 直流伺服电动机的功率 1 600 W。,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,(1) 基本结构 定子 转子,2. 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,XX理工大学电气工程系, 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
4、,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,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系, 当 uc = 0 或 uc 0,但 uc 和 uf 同相位时。,电机处在单相状态脉振磁通势 F0 。,静止时:n = 0,,F0,FFFR,TFTR,T = TFTR,TF = TR,T = 0,不能起动;,正在运行时:,T 0,转子继续旋转 单相自转!,普通异步电动机,R2,交流伺服电动机,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系, Uf = UN,U
5、cUN 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,椭圆形旋转磁通势的产生,椭圆形旋转磁通势的分解,XX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),9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,9.1 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),XX理工大学电气工程系,9.1 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),XX理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的
6、产生 ( uc 和 uf 大小不相等时),XX理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),XX理工大学电气工程系,90o,180o,270o,t=0o,360o,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),XX理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,椭圆形旋转磁通势的分解,9.1 伺服电动机,XX理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的分解,XX理工大学电气工程系,结论: 一个椭圆形旋转磁通势 F 可以分解
7、为两个不等 幅、等速的相向旋转的 圆形磁通势 FF 和 FR 。,FFFR,TFTR,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的分解,XX理工大学电气工程系, 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 0,Uf,FF 增强FR 减弱,0nnmax,椭圆形旋转磁场,两个旋转磁场(脉振磁场),一个旋转磁场, 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,XX理工大学电气工程系, 两相控制 保持 = 90o 和 Uc = Uf ,同时改变
8、Uc 和 Uf 的大小(始终为对称运行)。 幅值控制 保持 = 90o 和 Uf = UN,改变 Uc 的大小。 相位控制 保持 Uc = Uf = UN ,改变 的大小。 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: 0.1 100 W,50Hz 、400Hz 等。,(3) 控制方式,9.1 伺服电动机,XX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,XX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,XX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。
9、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,XX理工大学电气工程系,1. 基本结构,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型式。,直流力矩电动机的结构式意图,9.2 直流力矩电动机,XX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,XX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、
10、连续堵转功率 Pb。 Pb = Ub Ib,,2. 工作原理,(2) 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 = UP IP,,9.2 直流力矩电动机,XX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 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,XX理工大学电气工程系,(1) 定子 (2) 转子,1
11、. 基本结构,三相磁阻式步进电动机原理图,9.3 步进电机,XX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,XX理工大学电气工程系,2. 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,XX理工大学电气工程系,(1) 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。, U 相通电, V 相通电, W 相通电,9.3 步进电机,一步,两步,三步, 步距角: =
12、 30,XX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。, UV 相通电, VW 相通电, WU 相通电, 步距角: = 30,9.3 步进电机,XX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:UUV VVW W WU U。,1,2,3,4,5,6,步距角: = 15,9.3 步进电机,XX理工大学电气工程系,步距角,转速 一个 转 (1 / zN ) 圈, 脉冲频率为 f 每秒转 ( f / zN ) 圈。,例如:三相步进电动机 z = 40,则采用单/双三拍时:,采用三相六拍时:,9.3
13、 步进电机,XX理工大学电气工程系,步进电动机的参数,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,XX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,XX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,XX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,XX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。
14、 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,XX理工大学电气工程系,1. 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。,电磁式,9.4 测速发电机,永磁式,(2) 工作原理 空载时:,U = E = CE n,负载时:,U = E Ra I,XX理工大学电气工程系,U n,RL RL2 RL1,RL2RL1,产生误差的原因 电枢反应。 环境温度的变化,引起各 绕组的电阻值变化。 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,XX理工大学电气工程系,2. 交流测速发电机,(1) 基本结构 定子:
15、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,正弦交流 uf if d d =dm sint 转子静止时励磁绕组一次绕组转子绕组二次绕组,9.4 测速发电机,XX理工大学电气工程系,忽略励磁绕组的漏阻抗,则,输出绕组: 与d 无交链,不会产生 E0。 即:n = 0 时,U0 = 0 。,9.4 测速发电机,XX理工大学电气工程系, 转子旋转时,d,交变感应,旋转切割, ,q,eq = C1d n = C1 n dm sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 电机常数。,9.4 测速发电机,XX理工大学
16、电气工程系,输出绕组:,输出空载电压:,结论: U0 n 。 u0 与 uf 同频率、同相位。,9.4 测速发电机,XX理工大学电气工程系,测速发电机,9.4 测速发电机,更多的图片,XX理工大学电气工程系,9.5 自整角机 (BS),功能 将转角信号转换成电压信号,或反之。通过 两个或两个以上的组合,以实现转角的传输、 转换和接收。 同步联接系统 无机械联接的两个系统同步转动。 种类 按作用的不同:力矩式、控制式。 按相数的不同:单相、三相。 结构 定子、转子。,第9 章 控制电机,XX理工大学电气工程系,自整角机的结构示意图,9.5 自整角机, 单相:定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相
17、:定子、转子均为三相绕组。,XX理工大学电气工程系,自整角机的结构图,9.5 自整角机,XX理工大学电气工程系,1. 力矩式自整角机,a 发送机,b 接收机,(1) 转子处在协调位置时 纵向脉振,T = 0,转子静止。,定 同子 步绕组,9.5 自整角机,XX理工大学电气工程系,(2) 转子处在非协调位置时,T 0,,9.5 自整角机,XX理工大学电气工程系,(2) 转子处在非协调位置时,T 0,,接收机转子旋转 角。,重新达到协调位置,使,T = 0。,9.5 自整角机,XX理工大学电气工程系,2. 控制式自整角机,(1) 转子处在协调位置时 ,产生纵向脉振磁,场 与输出绕组不交链, U0
18、= 0。,9.5 自整角机,XX理工大学电气工程系,(2) 转子处在非协调位置时,9.5 自整角机, 与输出绕组交链,产生 E0sin。,即 U0sin 。,与输出绕组交链的分量,XX理工大学电气工程系,(a) 励磁绕组在垂直位置时,9.5 自整角机,自整角机中的脉振磁场,(b) 励磁绕组转过 角时,XX理工大学电气工程系,自整角机,9.5 自整角机,更多的图片,XX理工大学电气工程系,自整角机,9.5 自整角机,更多的图片,XX理工大学电气工程系,9.6 旋转变压器(BR),功能 将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。 结构 相当于一台两相绕线型异步电动机。定、转子 铁心上都有两个结构相
19、同而互相垂直的绕组。 种类 计算用和数据传输用旋转变压器。,1. 正余弦旋转变压器,2. 线性旋转变压器,*3. 比例式旋转变压器,*4. 数据传输用旋转变压器,第9 章 控制电机,XX理工大学电气工程系,1. 正余弦旋转变压器,将转子转角变换成与之成正 余弦函数关系的电压信号。,定子 D1D2 :励磁绕组。 D3D4 :补偿绕组。 转子 Z1Z2 :余弦输出绕组。 Z3Z4 :正弦输出绕组。,基准位置(初始位置),9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,(1) 空载运行,转子处在基准位置时,Uf ID12 FDd d 转子处在基准位置时 在 D1D2 中:d ED 在 Z1Z2 中:d
20、EZ ED = 4.44 f kw1 N1dm EZ = 4.44 f kw2 N2dm Uf = ED(忽略漏阻抗) Ucos = EZ = kED = kUf Usin = 0,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,转子偏离基准位置 角时,转子偏离基准位置 角,Z12 =d cos Z34 =d sin EZ12 = EZ cos = kED cos = kUf cos EZ34 = EZ sin = kED sin = kUf sin空载输出电压: Ucos = kUf cos Usin = kUf sin,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,设 Z1Z2 接负载,(2)
21、负载运行,EZ12IZ12FZ12,FZd (纵向)FZq (横向),FZd = FZ12 cos FZq = FZ12 sin,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,补偿方式, 定子边补偿 转子边补偿 定转子边同时补偿,将定子绕组 D3D4 短路。,将 Z3Z4 接 ZC 。,若 ZC = ZL,Zq = 0。,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,2. 线性旋转变压器,功能 在一定的转角范围内,输出电压与转子转角 成正比。 结构 与正、余弦旋转变压器相同。 一般的正、余弦旋转变压器 UZ34 = EZ sin当 很小时: UZ34EZ 例如: = 14o = 0.244 346
22、 rad sin 14o = 0.241 922 = 5o = 0.087 266 rad sin 5o = 0.087 156,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,Uf,U0 ,因为 定子边补偿,所以 认为 q = 0 dED12、EZ12、EZ34三个 E 大小不同、相位相同。忽略漏阻抗,则 Uf = ED12EZ12 = EDEZ cos = ED (1k cos) 电压比:,输出(忽略漏阻抗): U0 = EZ34 = EZ sin,= k ED sin,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,结论:(1) 当取 k = 0.52 时 如果 60o60o 则 U0 误差:0
23、.1%(2) 考虑漏阻抗,取 k = 0.56 0.57,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,*3. 比例式旋转变压器,用途 求解三角函数、 调节电压、阻抗匹配。 结构 与正、余弦旋转变压器 相同,转轴上装有调整 齿轮,能固定转子。,Ucos = kUf cosUsin = kUf sin,9.6 旋转变压器,XX理工大学电气工程系,*4. 数据传输用旋转变压器,旋变发送机,旋变变压器,9.6 旋转变压器,工作原理和用途与控制式自整角机相同。 精度较高。,XX理工大学电气工程系,旋转变压器,9.6 旋转变压器,更多的图片,XX理工大学电气工程系,*9.7 感应同步器(BIS),功能 将
24、转角或直线位移转换成电压信号。 分类,1. 圆盘式感应同步器,2. 直线式感应同步器,第9 章 控制电机,XX理工大学电气工程系,1. 圆盘式感应同步器,转子,定子,工作方式:转子方励磁、定子方励磁。 典型应用:转台的角度数字显示和精确定位。,9.7 感应同步器,XX理工大学电气工程系,(1) 转子方励磁,Usin = kRUR sinUcos = kRUR cos,kR 转子方励磁时的电压传输系数。(2) 定子方励磁 转子绕组的空载输出电压 UR = kS Usin sin UR = kS Ucos cos kS 定子方励磁时的电压传输系数。,9.7 感应同步器,XX理工大学电气工程系,2. 直线式感应同步器,滑尺 定尺 ,工作状态:鉴相式、鉴幅式。 典型应用:用于有平移运动的车床, 测量刀架位移。,9.7 感应同步器,XX理工大学电气工程系,练 习 题,第9 章 控制电机,9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.49.2.19.3.1 9.3.29.4.1 9.4.29.6.1 9.6.2 * 以教师画勾的题为准。,下一章,