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1、机械电子工程原理,第四章 电气执行元件,2,基本概念,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，电气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，电气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 ，P为电动机功率；V为电动机的体积。 比功率 TN为额定转矩。,3,基本概念,对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、机器人驱动的电动机，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。 对于起
2、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，而比功率高是主要要求。 比功率高低顺序依次是：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。,4,电动机,按照电源形式分类： 直流电动机 交流电动机 按照用途分类： 驱动用电动机（进行能量转换） 控制用电动机 （进行控制信号转换和传送） 步进电动机 伺服电动机,5,4.1直流电动机,优点： 调速范围宽广，调速特性平滑 过载能力较强，起动和制动转矩较大 控制方法简单，动态响应快 缺点： 存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运转和易燃场合 制造复杂，大容量直流电动机成本较高,6,直流电动机,按照励
3、磁方式分类 永磁式稀土永磁体的广泛应用 励磁式 他励式 串励式 自励式 并励式 复励式 速度控制方法 调压调速 弱磁调速 电枢回路串入电阻效率较低,7,直流电动机调速方法,弱磁调速：所需控制功率较小 为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实际上很困难（反电势的原因） 励磁电路时间常数较大，调节时间长 调压调速（电枢电压控制）： 要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。 可利用电枢反电动势作为阻尼 实际应用要考虑功率放大器的时间常数,8,直流电动机稳态特性1,机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。 对于并励或者永磁直流电动机 当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝对值越小，则
4、称机械特性越硬。,9,直流电动机稳态特性2,调节特性：指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化的关系 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。,10,直流电动机动态特性,动态电压：因电枢旋转产生的感应电动势，使得电枢上的电流随转速变动 动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦(系数k),11,直流电动机调速装置,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，
5、造成对其它设备的干扰。 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。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。,12,4.2交流异步电动机,交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动机。 缺点是不能经济地在较为广泛的范围内平滑调速(因变频器价格较高)。以往在要求调速范围较宽的设备中，多采用直流电动机。 同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有严格不变的关系(与磁场同步/异步)。,13,交流异步电动机调速方法,1. 改变转差率s
6、，可在转子绕组中串接电阻来改变转差率s 。 这种方法成本低，易实现，但调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U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，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f，可以无级地改变电动机的同步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压与定子供电频率f 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。,14,交流异步电动机特性1,机械特性：异步电动机的稳态机械特性指电压恒定时，转矩T与转差率s或转速n的函数关
7、系。 曲线上的重要点有： nN ，TN额定转速和额定转矩 Tst起动转矩,如果转子电阻大到使机械特性曲线单调下降，这种交流异步电动机就适宜用作执行电动机 。,15,稳定工作区曲线bc段,设电动机的负载转矩TL为稳定值，与电动机的转速无关。电动机工作在N点，当T= TL时，电动机以恒定速度运转。 若某种原因使负载转矩TL有所增大， 由于惯性电磁转矩T还来不及变化，于是有TTL ，电动机将减速运行，n减小。由T(n)曲线可知： n减小又将使T增大，重新使电磁转矩T= TL 。这时电动机以较原来略低的转速稳定运行。 这一过程可以表示为： 当扰动消失，电动机可以重新回到N点工作。,16,不稳定工作区曲
8、线ab段,不稳定工作区对应于T(n)曲线的ab段。电磁转矩T随着速度的增加而增大。电动机在这个区域工作时是不稳定的。 一旦平衡被打破，如果TTL，电动机会越过最大转矩Tm跑到稳定工作区bc中去。 注意：“闷车”容易烧毁电动机,17,交流异步电动机特性2,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 。一般作为动力源的交流异步电动机，通常工作在额定电压和转速，并不采用通过定子电压调节转速的办法。,18,变频调速,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，再由逆变器在控制下变换成所需的电压和频率，驱动交流异步电动机。 异步电动机的变频调速对机械特性的
9、影响：,19,变频调速技术,可控整流调压-逆变调频调速 优点是控制方法方便，调节性能比较好，缺点是可控整流器的功率因数低，而且产生的高次谐波成分多，对电网造成谐波污染。 不可控整流斩波调压逆变调频调速 设备的功率因数高，调速范围宽，但输入电流中的高次谐波成分仍很多。 交流交流直接变频调速 脉宽调制变频调速能同时完成调压和调频，电网功率因数高，调速范围宽，从电网输入的工作电流中的高次谐波成分少。,20,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。,21,两相异步执行电动机的电压控制,两相异步执行电动机的原理
10、图 其机械特性图,22,两相异步执行电动机的电压控制,稳态时，用直线方程表示两相异步电动机执行的转矩-转速关系：T= -Kn+KcU1 式中，Kn和Kc是正的常数 转子的力矩平衡方程 两相异步执行电动机电压控制的调节特性图,23,4.3步进电动机,步进电动机是一种无刷的同步直流电机，也是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的电磁机械装置 。 步进电动机具有以下特点： 1运行转速与控制脉冲的频率成正比，有严格的对应关系，且在负载能力范围内不受电压波动、电流波形及环境温度变化的影响。 2位移量取决于输入脉冲数，步距误差不会长期积累。在不失步的情况下，每转一周积累误差等于零。 3在脉冲数字信号控制下，
11、具有灵活的控制性能，能方便地实现起动、加速、减速、停止、反转、定位等运行方式。,24,步进电动机工作原理,步进电动机定子线圈依次通电，每次带齿的转子在电磁力作用下，保持齿与定子通电的磁极对正，只转过一个固定的角度。 步进电动机由于输入脉冲和转动角度具有严格的线性对应关系，因此常被用作开环位置/速度控制系统的执行器。,25,步进电动机的参数与特性1,步距角：大致有0.36、0.75、0.9、1.5、2.25、3.0、7.5等 失调角：是指步进电动机未加直流电前，转子静止时转子中心线与偏离定子中心线的夹角 。 静转矩：是指在步进电动机转子静止时，给电动机绕组通以直流电，由失调角的存在而产生的电磁转
12、矩 矩角特性 ：指步进电动机的静转矩Tj与失调角的关系特性曲线 。,26,步进电动机的参数与特性2,最大静转矩 ：每相绕组通以额定相电流时，矩角特性曲线上转矩所能达到的最大值 Tjmax 。 运行频率 ：步进电动机起动以后，随着控制脉冲频率不断上升，能不失步运行的最高频率称为运行频率fy 步进电动机制造厂家在所给的技术数据中一般没有电动机额定功率这一指标，而用最大静转矩来衡量步进电动机的容量。 p= Tjmax 矩频特性 ：,27,步进电动机的控制系统及功率驱动电源,对步进电动机的运行控制，如起动、停止、升速、降速、正转、反转、定位等，要由步进电动机控制系统来实现。控制部分通常由可编程逻辑电路
13、或处理器组成。脉冲发生器、脉冲分配器等单元也归入控制部分。 步进电动机的运行还需要靠功率驱动电源驱动，功率驱动电源可按使用的电力电子元件类型，或按驱动控制方式分许多种类。功率驱动电源由前置放大器、功率放大器等组成。主要根据步进电动机的功率大小、相数多少、频率高低等技术指标设计驱动电源。,28,步进电动机的选用原则,输出转矩的选择 一般可根据最大静转矩和实际所需电动机工作频率范围大致估算电动机的输出转矩。 大致可选择电动机输出转矩为最大静转矩Tjmax的20%30%。 步距角的选择 择时应根据系统的控制精度要求和运行速度要求来选择合适的步距角。 起动频率与运行频率的选择 在选择步进电机时，应事先
14、估算出带上负载后的步进电动机的起动频率与运行频率。,29,4.4直线电动机,设想把旋转电动机自转子轴至定子外圆周沿径向AA剖开，转子和定子都展成直条状，就成了直线电动机。,按机械特性可分为 : 推力型电动机 冲量型电动机 功率型电动机,30,直线电动机应用,直线电机可替代的运动形式,31,直线电动机的分类,按机械特性可分为 1) 推力型电动机：也称力电动机。这类作往复运动的直线电动机要求起动推力很大。 2）冲量型电动机：也称能电动机。这类电动机的瞬时功率很大 3）功率型电动机：也称功电动机。长距离或长时连续运行，要求功率因数高，主要用于以一定的速度拖动负载 直线电动机的结构有平面型和管型两类，
15、平面型又分为单边型和双边型两种，管型有圆管型和方型两种。,32,直线电动机的特点,优点： 1.可直接产生直线运动，不需要运动转换，使机构简化，便于控制，系统可靠性提高。 2.瞬时线速度很高时，零部件不受离心力的作用。 3.定子和动子之间的电磁推力可消除运行中的机械接触，因而机械功率损耗和磨损可减到很小。 4.由于无机械接触，噪声较小。 5.平面型直线电动机容易散热，容量大的直线电动机常不需要附加冷却装置。 缺点： 1.有所谓边端效应，因为磁路开断，铜损和漏抗压降大。 2.因为气隙大，功率因数比同样容量的旋转电动机低。,33,4.5电力电子器件,机电系统中，各种电气执行元件都需要一定的功率器件来
16、驱动或供电，这些器件统称为电力电子器件。变流器是实现电能的交直、直直、交交、交直交变换的装置，它们被用来驱动电气执行元件。各种变流器的核心是电力电子器件。,34,电力电子器件,概念：可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。 在机电系统中的作用: 对各种执行元件进行驱动和供电（实现电能多种交、直形式等级的变换） 电力电子器件制造技术是电力电子的基础。 变流技术是电力电子的核心。（用电力电子器件构成电力变换电路并对其进行控制）,35,电力变换的种类,进行电力变换的技术称为变流技术,36,电力电子器件分类,不可控型（无需驱动电路） 电力二极管（power diode） 两个端子，通断由所承受主电路电压电流决定 半控型（可控导通） 晶闸管（thyristor）及其大部分派生器件 器件关断由所承受主电路电压电流决定 全控型（可控导通关断） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
