《电力拖动与控制 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 陈勇 罗萍 向敏 第七章控制电机2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动与控制 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 陈勇 罗萍 向敏 第七章控制电机2（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Page 1,第 七 章 微 控 电 机原理与应用,Page 2,本章教学基本要求,1.了解常用控制电机的主要结构、基本工作原理； 2.理解和掌握控制电机的分类方式及其各自的驱动方式； 3.比较控制电机与普通直流电机、异步电机和同步电机的异同之处； 4.了解控制电机的特点及其应用场合,Page 3,重点,1.理解和掌握直流伺服电机和交流伺服电机各自的工作原理和调节特性； 2.理解和掌握步进电机的工作原理和通电方式。,Page 4,7.1 概述,微控电机是具有特定功能的小功率旋转电机。控制电机在控制系统中作为执行元件、检测元件和运算元件。从工作原理上看，微控电机和普通电机没有本质上的区别，但在使
2、用功能上不一样。普通电机功率大，侧重电机的起动、运行和制动等性能指标，而控制电机输出功率较小，侧重于电机的控制精度、响应速度和运行可靠性。目前国内外生产的微控电机种类较多，下面介绍几种常用的微控电机的基本工作原理及其使用特性。,Page 5,7.2 单相异步电动机,单相异步电动机(single-phase asynchronous motor)是靠220V单相交流电源供电的一类电动机，它适用于只有单相电源(single-phase power)的小型工业设备和家用电器中。,Page 6,7.2 单相异步电动机,7.2.1 单相异步电动机的工作原理 在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了
3、电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正传和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流 。,Page 7,7.2 单相异步电动机,该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。 不论是还是，他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机的转速是，则对正转磁场而言，转差率为：,对反转磁场而言，转差率为：,Page 8
4、,7.2 单相异步电动机,单相异步电动机的T-s曲线见左图 由图可知单相异步电动机的主要特点有： （1）n=0,s=1,T=T+ T- =0，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机不能启动。 （2）当s1时， T0，T无固定方向，它取决于s的正、负。 （3）由于反向转矩存在，使合成转矩也随之减小，鼓单相异步电动机的过载能力较低。,Page 9,7.2 单相异步电动机,Page 10,电容分相式起动,7.2单相异步电动机,Page 11,罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的
5、磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,7.2单相异步电动机,Page 12,单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。,7.2.3 单相异步电机的使用,上图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,7.2单相异步电动机,Page 13,7.3 测速发电机,测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类 。,7.3.1直流测速发电机
6、直流测速发电机本质上是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同 。,图7-4 直流测速发电机的工作原理,Page 14,7.3 测速发电机,在恒定的磁场0中，外部的机械转轴带动电枢以转速n旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生电动势。,Page 15,7.3 测速发电机,空载时，直流测速发电机的输出电压等于电枢电动势，即U0=E0。有负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，则直流测速发电机的输出电压为,其中,Page 16,7.3 测速发电机,7.3.2 交流测速发电机 交流异步测速发电机的转子结构有笼型的，也有杯型的，在控制系
7、统中多用空心杯转子异步测速发电机。空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上相互差90电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。,Page 17,7.3 测速发电机,转子静止： 励磁绕组产生的磁通在转子绕组上感应电势，产生电流。转子磁势不与输出绕组交链，所以，输出绕组不感应电势，即：输出电压为零，U=0。,图7-7 空心杯转子异步测速发电机原理图,Page 18,7.3 测速发电机,交流同步测速发电机分为：永磁式、感应式和脉冲式。,交流异步测速发电机的误差主要有： 非线性误差：由于直轴磁通d变化使测速发电机 产生非线性误差； 剩余电压：实际运行中，转子静止时，测速发电机输出一个较小的电压；
8、 相位误差：由于励磁绕组的漏抗、空心杯转子的漏抗使输出电压与励磁电压的相位不同。,Page 19,7.4 伺服电动机,伺服电动机(servo motor)的功能是将所输入的电压信号转换为轴上的角位移或角速度输出，其转速和转向随输入电压信号的大小和方向变化而改变的控制电机。伺服电动机能带一定的负载，在自动控制系统中作执行元件，所以又称为执行电动机。例如数控车床，刀具由伺服电动机拖动，他会按照给定目标的形状拖动刀具进行切割器件。早期伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦，而目前伺服技术发展很快，几千瓦的大功率伺服电动机相继出现。,Page 20,7.4 伺服电动机,Page 21,7
9、.4 伺服电动机,伺服电动机可分为两类：,伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。,Page 22,7.4 伺服电动机,7.4.1 直流伺服电动机 原理： 直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。 供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别两个独立的电源供电。,Page 23,7.4 伺服电动机,控制方式： 1.电枢控制（主要）； 2.磁极控制（少用）。,U1为励磁电压， U2为电枢电压,图7-9 直流伺服电动机的接线图,Page 24,由机械特
10、性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2=0时，电机立即停转。,电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。,直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示,机械特性曲线如图所示。,7.4 伺服电动机,图7-10 机械特性,Page 25,直流伺服电动机的特点：电阻大，机械特性软。线性；滑动接触；火花干扰；惯性大；体积大；相对价高，其调节特性如左图所示。,7.4 伺服电动机,图7-11 调节特性,Page 26,直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。,应用：,7.4 伺服电动机,Page 27,7
11、.4.2 交流伺服电动机,两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,图7-12 交流伺服电动机结构图,7.4 伺服电动机,Page 28,通过相应措施使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。,7.4 伺服电动机,图7-14 交流伺服电机的电气原理,Page 29,7.4 伺服电动机,交流伺服电动机的控制方式 （1）幅值控制,图7-16 幅值控制,Page 30,交流伺服电动机的机械特性如图所示。,在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,7.
12、4 伺服电动机,图7-17 交流伺服电动机的机械特性和调节特性,Page 31,7.4 伺服电动机,交流伺服电动机的控制方式 （2）相位控制,图7-18 相位控制,Page 32,7.4 伺服电动机,交流伺服电动机的控制方式 （3）幅值-相位控制,图7-19 幅值-相位控制,Page 33,加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。,交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,7.4 伺服电动机,Page 34,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用
13、很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。,应用:,7.4 伺服电动机,Page 35,7.5 步进电动机,步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。,Page 36,7.5 步进电动机,7.5.1 结构与基本工作原理,机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。,Page 37,种类： 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式
14、（又叫感应子式）三种。反应式步进电机的应用较多。,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,7.5 步进电动机,Page 38,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,7.5 步进电动机,图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图,Page 39,同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；,7.5 步进电动机,图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图,Page 40,最后，C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐，相对B相通电比较，转子再次转动30。,7.5 步进电动机,图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图,Page 41,1 结
15、构,步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。,7.5 步进电动机,步进电动机结构简图,Page 42,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。,7.5 步进电动机,图7-22 三相反应式步进电动机,Page 43,2 工作方式,(以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。,一、三相单三拍,7.5 步进电动机,Page 44,这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一
16、个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用b表示。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,7.5 步进电动机,Page 45,通电顺序：AB CA,步进电机单相单三拍的工作方式总结,单三拍：每一次只有一相绕组通电，三次通电完成一个循环。,每一拍转子转过的角度称步距角。,反转通电顺序：A C B A,图7-21 步进电机的三相单、双六拍运行方式,7.5 步进电动机,Page 46,二、三相六拍,三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A A 相对齐。,7.5 步进电动机,Page 47,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,当控制绕组A相和B相同时通电，转子2，4齿受到反应转矩作用使转子逆时针方向转动，同时1、3齿不再与AA对齐，而是受到一个顺时针的转矩作用，当这两个
