机电体电器执行元件

《机电体电器执行元件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电体电器执行元件（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十一章 电器执行元件 电器执行元件的电信号易于传送和变换， 电能易于控制，在中小功率的机械电子系 统中，电源往往也比油源和气源方便，电 器执行元件不需任何流体作为工作介质， 免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于 这些原因，电器执行元件是用途最广泛的 一类执行元件，特别是各种执行电动机。 对任何电动机，都可定义“功率密度”和“比 功率”两项指标。功率密度定义为 (11-1) 对于起停较少的场合，如用于数控机械的 进给、机器入驱动的电动机，往往要求低 速平稳、高速振动小、转矩脉动小，并且 调速全范围内稳定运行。这种场合下功率 密度是主要指标。 比功率定义为 式中：是角速度，Tn是额定转矩。由动力

2、学方程 (11-3) 所以 (11-4) 式中：J是转子和负载转动惯量的折算值。 对于起停较多的场合，如用于高速打印 机、绘图仪、集成电路焊接的电动机，往 往不特别要求低速平稳性，比功率高是主 要要求。比功率高低依次是：直流无刷电 动机、步进电机、直流伺服电动机、交流 伺服电动机。 除上述两项指标外，对执行电动机有一 些特殊的要求，如自身转动惯量小，调速 范围大，过载能力强。 11.1 直流电动机 长期以来，需要调速的场合多数用直流电动机驱 动，并且调速技术在工业中也得到了广泛应用。 直流电动机能提供启动所需的高启动转矩，也易 于实现宽范围的转速调节，并且具有调节平滑、 动态响应快、效率比较高

3、、控制方法灵活简便， 比交流电动机过载能力强等特点。通过适当的激 磁方式，可使电磁转矩与负载转矩特征灵活地配 合，容易在较宽转速范围内得到恒定转矩特性。 尽管它在超高速和危险环境里的应用受到限制， 但在电气传动控制领域中仍发挥着重要作用。 伺服系统中，要对位移或速度进行控制， 必须控制电动机输出的力或力矩。宽调速 直流伺服电动机的特点是翰出力矩大，过 载能力强，动态响应性能好，低速运转平 稳，易于调速。 直流执行电动机的控制方式有激磁电压控制和电 枢电压控制两种。激磁控制方式需要控制功率小 ，电枢电流保持恒定，但电枢电路中有反电势， 因而实现电枢电流恒定很困难。另外激磁绕组的 电感较大，所以时

4、间常数较大，激磁控制方式的 效率也较低。电枢控制方式应用则广泛得多，要 求激磁电压恒定，且磁路不饱和。电枢控制方式 可利用反电势作为阻尼，并把功率放大器的时间 常数考虑在内。永磁式电动机则只能采用电枢控 制方式，低速时输出转矩大，它不需激磁，因而 温升小，效率高。随着永磁材料性能的不断提高 ，永磁伺服电动机日益广泛使用。电枢控制的直 流电动机见图11-1。 图111 直流电动机的电枢控制在低速大转矩场合，如防空警戒雷达的天 线转速为15r/min，需用齿轮系减速，但齿 轮间隙造成的滞环引起小幅振荡、降低刚 度，对系统性能很不利；又如绞缆机、带 状物收卷机等，需要调节转矩和张力，则 要引入转矩反

5、馈。直流力矩电动机能够在 低速下输出大转矩，可以省去减速齿轮。 为了克服执行电动机本身的转动惯量，对 电枢做了改进，出现了杯形、盘形和无槽 电枢的低惯量电动机。 11.1.1 稳态特性1机械特性 2调节特性 机械特性 直流电动机的机械特性是在一定控制电压下转矩 与转速之间的关系，由式(116)和图112的曲 线族表示。电枢电流I通到电枢绕组后，在磁场 的作用下产生电磁转矩，KT是直流电动机力矩常 数，T是电磁转矩 (11-5) (11-6) 稳态时，转速的变化率为零，=d/dt是定值， 是转子轴的角位移。 调节特性 调节特性是指一定负载转矩下稳态转速随 控制电压变化的关系，由式(11-6)稍加

6、整理 就可得到。不同负载转矩下有一族曲线， 见图11-3。 图11-2 直流电动机机械特性 图11-3 直流电动机调节特性 11.1.2 动态特性电枢回路动态电压方程为(11-7)式中：是电动机轴的角位移，Ea是电枢反电势， Ke是直流电动机反电势常数。动态转矩方程为(11-8)(11-9)式中：J是转子和负载折合到电动机轴上的转动惯量，k是 转子和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数。用于随动系统的电动机，必须以角位移为被控量 。如果电动机用于调速系统，以=d/dt为被控量 。 11.1.3 直流电动机调速装置根据机械要求选定直流电动机，要考虑电动机的 转矩、功率、过载时间和过载倍数、调速范围

7、， 有时还要考虑弱磁升速，据此可选择调速装置。 调速的主要手段是用变流器调节电枢电压。 1交流直流变流器 2直流直流变流器 交流直流变流器 工业中大量应用的交流直流变流器是晶 闸管相位控制变流器，由整流变压器或进 线电抗器、晶闸管、控制器组成。控制器 的核心是模拟电路或微处理器。晶闸管变 流装置产生的高次谐波可进入工业电网造 成对其他设备的干扰。 直流直流变流器直流直流变流器有逆变整流方式和直 流斩波方式，目前较先进的是晶体管脉宽 调制(PWM)方式。与晶闸管变流器相比， PWM装置具有以下优点：系统主电源采用 整流滤波，所以几乎不产生污染工业电源 的高次谐波。晶体管开关工作频率可高达 2kH

8、z，因此系统的响应速度和稳速精度较 好。电动机的电枢电流脉动小，不需滤波 电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很 宽。 11.2 交流异步电动机 与直流执行电动机相比，交流执行电动机 的体积和重量较大，效率较低。但随着电 力电子技术的发展，大功率交流电动机正 迅速取代直流电动机。 11.2.1 交流异步电动机稳态特性1转速公式当定子绕组通三相正弦 交流电流时，产生一个 旋转磁场。图11-4仅示 出了一相磁场，实际上 ，三相磁场成120 空间 角。旋转磁场的转速， 也称为同步转速n0，单 位是r/min式中：f1定子电源频率；p磁极对数。 图图11-4 11-4 交流异步电动机原理交流异步电动机原

9、理交流电动机的转速公式是 (11-11)中：转差率s有0s1，启动瞬间，s=0，因 为有空气阻力形成的“风阻”，s不会等于1。 通常s值在0.20.8之间 (11-12) 根据式(11-10)和式(11-11)可得如下几种调速方法： 1)改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变 转差率s，这种方法调速机械特性很软，低速运行时 电阻损耗很大。改变定子电压U1也可改变转差率s， 这种方法损耗也很大。损耗使电动机的效率降低， 特性变差。 2)改变极对数p来改变转速，这种方法调速是有级 的，而且调速范围窄。电动机设计制造时就已决定 了p的可取值，往往是2或3。 3)改变定子供电频率f1，可以无级地改

10、变电动机 的同步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子 电压U1与定子供电频率f1协调，性能会更好。随着 电力电子技术的发展，变频调速应用日益广泛。2电磁转矩 交流异步电动机转矩公式是 转子电流，难 以直接测量每一极 的磁通 由电动机结构 决定的常数 转子电路的 功率因数 转子每 相电阻 转差率 启动瞬间转子静止 时的每相漏感抗 启动瞬间，s=1，cos2最小 ，随后s下降，cos2上升 启动瞬间转子静止 时的感应电动势 定子电 源电压 定子绕 组系数 定子电 源频率 定子每相 绕组匝数 可随U1 或f1变化， 且U1 启动瞬间，因s=1，I2最大，称为启动电流 ，可达额定电流的57倍。随后

11、s下降，I2 减小。将以上关于cos2， 和I2的三个公式 代入电磁转矩公式(11-13)，得到(11-17) 由式(11-17)可知，电磁转矩T与U1平方成 正比，同时是s的函数。以s为自变量，函数 T(s)在第I象限的曲线就是交流异步电动机的 稳态机械特性。 3机械特性 稳态时，异步电动机的机械特性指U1恒定时，转 矩T与转差率s或转速n的函数关系，由式(11-17)表 示，见图11-5。曲线上的重要点有：nN，TN为额定转速和额定转矩 ；Tst为启动转矩。图图11-5 11-5 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将s=1代入式(11-17)可得 (11-18) K称为电动机常数。

12、由方程dT/ds=0，解出s=R2/X20时转矩达到最大 (11-19) 式中：Tm最大转矩 右图显示定子电压U1改变对Tm的影响，nm为临界转速。 图11-6 U1对异步电动机机械特性的影响机械特性曲线上，ab段可以稳定工作，进 入bc段将导致“闷车”，停转时转子中没有感 应电动势，可能烧毁电动机。交流异步电 动机的过载能力定义为 (11-20)在ab段，正常工作点越远离6点，过载能力 越强。一般值在2.02.2之间，特殊设计 的可达3.0以上。作为执行元件的交流异步电动机，转速变化频繁 且变化范围大，图11-5这种特性是不适宜的。图 11-7显示了转子电阻R2对nm的影响。如果R2大 到使

13、机械特性曲线单调下降，这种交流异步电动 机就适宜作执行电动机。 图11-7 R2对异步电动机机械特性的影响4调节特性调节特性是指一定负载转矩下稳态转速随控制电 压变化的关系。不同负载转矩下对应一族曲线， 如图11-8。一般作动力的交流异步电动机，通常 工作在额定电压和转速，并不采用通过定子电压 U1调节转速的办法。11.2.2 交流变频调速改变定子电源的频率，可以实现异步电动机的大范 围连续调速。变频调速原理可以用上图表示。变频 技术是先从电网输入50Hz的交流电源，经可控或 不可控的整流器变成直流电压，再由逆变器变换成 所需的电压和频率，驱动交流异步电动机。逆变器 是实现直流交流变换的变流装

14、置。各种交流-直流- 交流变频调速方案都要用到逆变器，当前有四类逆 变器：电压源逆变器、电流源逆变器、脉宽调制逆 变器、磁场定位矢量控制逆变器。 可控整流调压逆变调频调速 可控整流器与逆变调频器之间由控制电路 协调，如图11-10。优点是方便，缺点是电 网功率因数低，且输出高次谐波成分大。 图1110 可控整流调压逆变调频不可控整流斩波调压逆变调频调速 如图11-11。其电网功率因数高，调速范围 宽，但输出高次谐波成分仍很大。 图11-11 不可控整流-斩波调压-逆变调频交流交流直接变频调速 一次完成换能，因而效率较高。但调频范 围窄，适用于大容量低速传动，如轧钢机 、矿井提升机、水泥回转窑、

15、球磨机等。 脉宽调制(PWM)变频调速 调压和调频同时完成，电网功率因数高， 调速范围宽，输出谐波小。随着新型电力 电子器件的发展，开关频率已达几千赫兹 ，输出电流几百安培、电压上千伏。100W 以下的变频装置，体积和重量小到可壁挂 。正弦脉宽调制(SPWM)是近几年来出现的 一种最优越的交流调速技术，可代替大部 分整流调速系统，节能2030。 通用变频器 600kVA以下的中小容量一般用途变频器已经实现 了通用化。通用变频器可以用于驱动普通异步电动 机，还提供多种控制和保护功能。图11-12中主电 路是可控的电力电子器件，包括整流、滤波和逆变 ，除完成变流的功能外，还附有保护电路。控制器 由微处理器和信号处理专用芯片组成。完成信号采 样/保持、信号处理、故障保护，还可设定控制规 律，并产生控制信号给主电路。信号输入电路从外 部接受控制信号，或接受来自主电路的反馈信号； 信号输出电路将主电路的状态和故障信号送往外部 。作为一件产品，还有自备电源和LED显示，附加 的漏电保护电路可保护人身安全。 图11-12 通用变频器框图 11.2.3 两相异步执行电动机的电压控制在随动系统中多用两相异步电动机作执行元件。这 种电动机多采用笼式转子，结