第4章 控制电机及其他电动机课件.ppt
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1、电机与电气控制案例教程电机与电气控制案例教程 第四章第四章 控制电机及其他电动机控制电机及其他电动机 在拖动系统中,除了使用前述的直流电动机和三相异步电动机外,还有使用其它各种用途的电动机。如单向异步电动机、同步电动机、直线电动机等。 在日常生活中,很多家用电器中均配备单向异步电动机,如洗衣机、电冰箱、电风扇、抽排油烟机等。这些设备的电动机均有一个共同的特点:功率不大、使用单向交流电源。 同步电动机是常用的三大类电动机(直流、异步、同步电动机)中一类重要的电动机。同步电动机与异步电动机一样,都属于交流电动机。由于同步电动机转速不随负载转矩的变化而变化,且与定子电流的频率有严格的比例关系。这一特
2、点使它在电力拖动系统中占有越来越重要的地位。 直线电动机是一种新型电动机,它是直接将电能转换为直线运动的驱动机械,省去了中间转换机构,并具有速度范围宽、推力大、精度高等特点。 控制电机。它广泛应用于国防、航天航空技术、先进工业技术、民用领域之尖端技术与现代化装备中。如雷达的扫描跟踪、舰船方位控制、飞机自动驾驶、轧钢控制、数控机床控制、工业机器人控制、遥测遥控、医疗设备、自动化仪表及计算机外围设备等。 主要内容 4.1 单相异步电动机单相异步电动机 4.2 三相同步电动机三相同步电动机 4.3 直线电动机直线电动机 4.4. 伺服电动机伺服电动机 4.5. 步进电动机步进电动机 4.6 测速发电
3、机测速发电机 4.7 自整角机和旋转变压器自整角机和旋转变压器4.1 单相异步电动机单相异步电动机 单相异步电动机是用单相电源供电的一类驱动用微型电动机。它具有结构简单、成本低廉、运行可靠,以及维修方便等一系列的优点,特别是因为它可以直接使用普通民用电源,所以广泛地应用于小型电动工具、日用电器、仪器仪表、商业服务、办公用具和文教卫生设备中。 电风扇的种类很多,规格各异,它的功能随它使用的不同场合而不同。但是电风扇的主要功能是送风、吹凉,尽管它的型号很多,但原理与结构基本相同,其中电动机就是电风扇的心脏部分,其性能指标基本上就可以决定电风扇的质量高低。 电风扇用的电动机可分为交流和直流电动机,一
4、般使用的有单相电容运转异步电动机、罩极电动机、交直流电动机和直流电动机等,其中以单相电容运转异步电动机的用量占绝大多数。4.1.1 【案例说明】电风扇的调速电路【案例说明】电风扇的调速电路4.1.2 【知识进阶【知识进阶1】单相异步电动机的结构】单相异步电动机的结构4.1.3【知识进阶【知识进阶2】单相异步电动机工作原】单相异步电动机工作原理理4.1.4【知识进阶【知识进阶3】 单相异步电动机的起动单相异步电动机的起动方法方法4.1.5 【技能拓展】电冰箱中的单相异步电动【技能拓展】电冰箱中的单相异步电动机机【问题探讨】【问题探讨】4.1.1 电风扇的调速电路电风扇的调速电路 图4-1为采用电
5、容分相式异步电动机拖动,利用电抗器降压进行调速,调速电路中串入具有抽头的电抗器,当转速开关S处于不同位置时,电抗器的电压降不同,使电动机端电压改变而实现有级调速。 图4-1 电风扇的调速电路4.1.2 单相异步电动机的结构单相异步电动机的结构 单相异步电动机的结构与三相笼型异步电动机结构相似,但转子只采用笼型,定子只安装单相绕组或两相绕组。与同容量的三相异步电动机相比,单相异步电动机的体积较大,运行性能较差,所以单相异步电动机只制成小容量的。 4.1.3 单相异步电动机工作原理单相异步电动机工作原理 (1)单相绕组的脉振磁场及脉振磁场的分解 单相异步电动机定子上的主绕组是一个单相绕组。当主绕组
6、外加一个单相正弦交流电源后,就有单相正弦交流电流通过主绕组,在气隙中就会产生一个脉振磁场(或称脉动磁场)。 为了便于分析问题,利用已经学过的三相异步电动机的知识来研究单相异步电动机,因此首先将脉振磁通势分解为旋转磁通势。4.1.3 单相异步电动机工作原理单相异步电动机工作原理通过图4-2分析可知,一个脉振磁通势可以分解为两个大小相等(大小为脉振磁通势幅值的一半,)、旋转速度相等、旋转方向相反的正、反向旋转磁通势;反之,同样也成立。其中与电动机转动方向相同的磁通势称为正向旋转磁通势,而与电动机转动方向相反的磁通势称为反向旋转磁通势,由正、反向磁通势对应产生的磁场分别称为正向旋转磁场和反向旋转磁场
7、。相反,幅值相等的一正一反两个旋转磁场同样也能合成一个脉振磁场。 图4-2 脉振磁通势的分解 4.1.3 单相异步电动机工作原理单相异步电动机工作原理 (2)单相异步电动机的机械特性 由于脉振磁场可以分解为两个正、反向的旋转磁场,因此可以认为单相单绕组异步电动机的电磁转矩,是由这两个正、反向旋转磁场分别产生的电磁转矩所合成,即。故此可得到单相异步电动机的机械特性,如图4-3中的曲线3所示。当为拖动转矩时,就为制动转矩。从曲线上可以得到如下结论: 图4-3 单相异步电动机的机械特性曲线 4.1.3 单相异步电动机工作原理单相异步电动机工作原理1)当转子不动时 ,表明单相异步电动机无起动转矩,如不
8、采取其它措施,则不能自行起动。2)当n0,,T0,机械特性在第二象限,属于拖动性质转矩,也就是说由于某种原因使电动机正转后,电磁转矩能使电动机继续正转运行。3) 当n0,,T0,机械特性在第四象限,T仍为拖动性质的转矩,同样,若电动机已经反转了,则仍能继续反转。由于存在反向电磁转矩,它起制动作用,使得电动机的总输出转矩减小,所以,单相异步电动机的过载能力、效率、功率因数等均低于同容量的三相异步电动机。 图43 单相异步电动机的机械特性曲线 单相异步电动机的起动方法 由上所述可知,单相单绕组异步电动机不能自行起动,要使单相异步电动机像三相异步电动机那样能够自行起动,就必须在起动时建立一个旋转磁场
9、。常用的方法是采取分相式或罩极式。 1.单相分相式异步电动机 2.单相罩极式异步电动机单相异步电动机的起动方法 1.单相分相式异步电动机 单相分相式异步电动机是在电动机定子上安放两相绕组,如果绕组和一绕组的参数相同,而且在空间相位上相差90电角度,则为两相对称绕组。如果两相对称绕组中通入大小相等,相位相差90电角度的两相对称电流,则可以证明两相合成磁场为圆形旋转磁场,其转速为,与三相对称交流电流通入三相对称绕组产生的旋转磁场性质相同。同样可以分析得出:当两相绕组不对称或两相电流不对称而引起两相的磁通势幅值不等或相位移不是90时,则气隙中将产生一个幅值变动的旋转磁通势,则气隙中的磁场将变为椭圆形
10、旋转磁场。其平均转速仍为同步转速n1。 即用2套绕组,并且2套绕组接同一电源,为使流入2套绕组中的电流相位不同,需要人为的使他们的阻抗不同,这种方法称为分相。分相的结构是使电动机气隙中出现了椭圆形旋转磁场,从而使电动机具有一定的自行起动能力。 单相异步电动机的起动方法 1)单相电阻起动异步电动机 这种电动机的定子上嵌放两相绕组,一个为主绕组(或称工作绕组),另一个为辅助绕组(或称起动绕组)。如图44所示,两个绕组接在同一个单相电源上,辅助绕组串联一个离心开关S。制造时,一般主绕组用的导线较粗而电阻小,辅助绕组用的导线较细而电阻大,或者串电阻以增大辅助绕组支路的电阻值。辅助绕组一般按短时运转状态
11、设计。 图44 单相电阻起动异步电动机 单相异步电动机的起动方法 起动时由于主绕组和辅助绕组两个支路的阻抗不同,使得流过两个绕组的电流相位不同,一般辅助绕组中的电流超前与主绕组中的电流,形成了一个两相电流系统,这样电动机起动时就产生了椭圆形旋转磁场,从而产生了起动转矩。电动机起动后,当转速达到一定数值时,离心开关(即图4-4中的S)断开,将辅助绕组从电源上切除,剩下主绕组进入稳定运行。图4-4 单相电阻起动异步电动机 单相异步电动机的起动方法 2)单相电容分相起动的异步电动机 为了增加起动转矩,可以在辅助绕组支路中串联一个电容器,如图4-5所示。如果电容器的容量选择适当,则可以在起动时使辅助绕
12、组通过的电流在时间相位上超前主绕组通过的电流,这样在起动时就可以得到一个较接近圆形的旋转磁场,从而有较大的起动转矩。同样,当电动机转速达到(75 %80%)同步转速时,离心开关S将辅助绕组从电源上自动断开,靠主绕组单独进入稳定的运行状态。图4-5 单相电容起动电动机单相异步电动机的起动方法 3)单相电容运转电动机 如果将电容起动电动机的辅助绕组和电容器都设计成能长期工作制,而辅助绕组支路不串接离心开关,则这种电动机就称为单相电容运转电动机(或称单相电容电动机),如图4-6所示。这时电动机实质上是一台两相电动机,因此运行时定子绕组产生的气隙磁场较接近圆形旋转磁场,所以电动机运行性能有较大的改善,
13、其功率因数、效率、过载能力等都比普通的单相电动机高,运行也比较平稳。例如300mm以上电风扇的电动机、空调器压缩机的电动机等均采用这种单相电容运转电动机单相电容运转电动机的电容器电容量的大小,对电动机的起动性能和运行性能影响较大。图46 单相电容运转电机接线图 如果电容量取大些,则起动转矩也大,而运行性能下降,如果电容量取小些,则起动转矩也小,但运行性能较好,所以综合考虑,为了保证有较好的运行性能,单相电容运转电动机的电容器的电容量比同容量的单相电容起动电动机的电容器的电容量要小,起动性能不如单相电容起动电动机。单相异步电动机的起动方法 4)单相双值电容电动机(单相电容起动及运转电动机) 如果
14、单相异步电动机,既要有大的起动转矩,又要有好的运行性能,则可以采用两个电容器并联后再与辅助绕组串联,称这种电动机为单相电容起动及运转电动机(或称单相双值电容电动机)。如图4-7所示,其中电容器的容量较大,为运行电容器,容量较小,和共同作为起动时的电容器;S为离心开关。起动时,和两个电容器并联,总电容量大,所以电动机有较大的起动转矩,起动后,当电动机转速达到(7580)同步转速时,通过离心开关S将电容器切除,这时只有电容量较小的参加运行,因此电动机又有较好的运行性能。这种电动机常用在家用电器、泵、小型机械等场合。 图47 单相电容起动运转电动机接线图 对于单相分相式电动机,如果要改变电动机的旋转
15、方向,可以对调主绕组或辅助绕组的两个接线端。通过分析不难得出,此时产生的旋转磁场的旋转方向改变,所以电动机的转向也跟着改变,也就是反转了。单相异步电动机的起动方法 2.单相罩极式异步电动机 单相罩极式异步电动机按照磁极形式的不同,分为凸极式和隐极式两种,其中凸极式结构最为常见。下面以凸极式为例介绍单相凸极式罩极异步电动机,如图4-8所示。这种主绕组。在每个磁极极靴的1314处开有一个小槽,槽中嵌入短路铜环将小部分极靴罩住。转子均采用笼型转子结构。 图4-8 单相凸极式罩极式异步电动机的结构示意图凸极式钱心 2短路环3定子绕组 4转子单相异步电动机的起动方法 当罩极式电动机的定子单相绕组中通以单
16、相交流电流时,将产生一个脉振磁场,其磁通的一部分通过磁极的未罩部分,另一部分磁通穿过短路环通过磁极的罩住部分。由于短路环的作用,当穿过短路环中的磁通发生变化时,短路环中必然产生感应电动势和电流,根据楞次定律,该电流的作用总是阻碍磁通的变化,这就使穿过短路环部分的磁通滞后于通过磁极未罩部分的磁通,造成磁场的中心线发生移动,于是在电动机内部就产生了一个移动的磁场,将其看成是椭圆度很大的旋转磁场,因此电动机就产生一定的起动转矩而旋转起来。因为磁场的中心线总是从磁极的未罩部分转向磁极的被罩部分,所以罩极式电动机转子的转向总是从磁极的未罩部分转向磁极的被罩部分,即转向不能改变。单相罩极式异步电动机的主要
17、优点是结构简单、制造方便、成本低、维护方便等,但是起动性能和运行性能较差,一般起动转矩只有,所以主要用于小功率电动机的空载起动场合,如250mm以下的台式电风扇等。 4.1.5 电冰箱中的单相异步电动机电冰箱中的单相异步电动机 电冰箱要求电动机具有启动转矩大、高功率因数、高效率等性能。图4-9为电冰箱电路控制系统图,采用了电阻分相式单相异步电动机。 启动绕组;2压缩电动机;3工作绕组;4保护继电器5温度控制器;6照明灯;7门开关;8启动继电器图49 电冰箱电路控制系统图【问题探讨】【问题探讨】常用的特种电机有哪些?自动控制系统对特种电机有哪些要求?如图4-5所示电路,单相电容起动异步电动机的离
18、心开关起动前不闭合,则电动机能不能起动?电容起动单相异步电动机能否作电容运行单相异步电动机使用?反过来能够使用?为什么?一台单相电容运转的电风扇,通电时有振动,但不转动,如用手正拨动或反拨动风扇叶,则都会转动且转速较高,这是什么故障?4.2 三相同步电动机三相同步电动机 同步电机就是转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同的一类交流电机。按功率转换方式,同步电机可分为同步发电机、同步电动机和同步调相机三类。同步发电机将机械能转换成电能,是现代发电厂(站)的主要设备;同步电动机将电能转换为机械能;同步调相机实际上就是一台空载运转的同步电动机,专门用来调节电网的无功功率,改善电网的功率因数。按结构型
19、式,同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种,旋转电枢式只在小容量同步电机中有应用.而旋转磁极式按磁极形状又分为隐极式和凸极式两种。 由于,当电源频率不变时,同步电动机的转速恒为常值而与负载的大小无关,因此对于容量较大、转速要求恒定的设备,通常采用同步电动机拖动,同时又可改善电网的功率因数。例如自来水厂拖动水泵的电动机、工矿企业用的空气压缩机、大型鼓风机等多采用同步电动机拖动。 4.2.1 【案例说明】电梯驱动【案例说明】电梯驱动 4.2.2 【知识进阶【知识进阶1】同步电动机的结构】同步电动机的结构 4.2.3 【知识进阶【知识进阶2】三相同步电动机的工】三相同步电动机的工作原理作原理 4.
20、2.4 【知识进阶【知识进阶3】三相同步电动机的启】三相同步电动机的启动动 4.2.5 【知识进阶【知识进阶4】三相永磁同步电动机】三相永磁同步电动机 4.2.6 【技能拓展】信息技术中的永磁同步【技能拓展】信息技术中的永磁同步电动机电动机 【问题探讨】【问题探讨】4.2.1 电梯驱动电梯驱动 电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统,其缺点是不言而喻的。随着变频技术的发展成熟,异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是三相永磁同步电动机调速系统,其体积小、节能、控
21、制性能好,容易做成低速直接驱动,消除齿轮减速装置;其低噪声、平层精度好和舒适性都优于以前的驱动系统,永磁同步电动机已得到各大电梯公司的青睐。4.2.2 同步电动机的结构同步电动机的结构 图4-10是三相旋转磁极式同步电机的结构示意图。三相旋转磁极式同步电机的定子(或称电枢)与三相异步电动机的定子结构相同。定子铁心由厚0.5mm的硅钢片叠成,在内圆槽内嵌放三相对称绕组。对隐极式转子,转子做成圆柱形,转子上没有明显凸出的磁极,气隙是均匀的,励磁绕组为分布绕组,转子铁心上有大小齿分开,如图4-10a所示。一般用于两极或四极的电机;而凸极式转子有明显凸出的磁极,气隙不均匀,极靴下的气隙较小,极间部分的
22、气隙较大,励磁绕组为集中绕组,如图4-10b所示。一般用于四极及以上的电机。图4-10 三相旋转磁极式同步电机的结构示意图a) 隐极式 b) 凸极式1定子 2转子 3集电环4.2.3 三相同步电动机的工作原理三相同步电动机的工作原理当三相交流电源加在三相同步电动机的定子绕组时,便有三相对称电流流过定子的三相 对称绕组,并产生旋转速度为的旋转磁场。如果我们以某种方法使转子起动,并使其转速 接近于同步转速,这时在转子励磁绕组中通以直流,产生极性和大小都不变的磁场,其磁极数与定子的相同。当转子的极与旋转磁场的N极对应,转子的N极与旋转磁场的极对应时,根据磁极异性相吸、同性相斥的原理,定转子磁场(极)
23、间就会产生电磁转矩(也称之同步转矩),促使转子的磁极跟随旋转磁场一起同步转动,即,故称之同步电动机。 图4-11 同步电动机的工作原理a) 理想空载时 b) 实际空载时 c)负载时4.2.3 三相同步电动机的工作原理三相同步电动机的工作原理如图4-11所示。图4-11a是理想空载情况。由于电动机空载运转时总存在阻力,因此转子磁极的轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小的角度,以增大电磁转矩,如图4-11b所示;负载时,则角随之增大,电动机的电磁转矩也随之增大,使电动机转速仍保持同步状态,如图4-11c所示。显然,当负载转矩超过电动机所产生的最大同步转矩时,旋转磁场就无法拖动转子一起旋转,犹如橡皮筋拉
24、断一样,这种现象称为“失步”,电动机不能正常工作。图4-11 同步电动机的工作原理a) 理想空载时 b) 实际空载时 c)负载时4.2.3 三相同步电动机的工作原理三相同步电动机的工作原理 三相同步电动机的转向取决于三相电源的相序,与转子直流励磁电流的极性无关。定子 绕组通电产生的旋转磁场的转向,即为电动机的转向。因此改变同步电动机的转向与改变三 相异步电动机的转向的方法相同,即三相电源进线中的任意两相对调即可。 用永久磁铁做成的转子来代替直流励磁的电磁铁转子的同步电动机就是三相永磁同步电动机,由于三相永磁同步电动机的转子不需要直流电流励磁,所以结构更简单,性能更好,是目前使用的主要伺服电动机
25、之一。图4-11 同步电动机的工作原理a) 理想空载时 b) 实际空载时 c)负载时4.2.4 三相同步电动机的启动三相同步电动机的启动同步电动机的定子绕组接到电网时,定子旋转磁场与转子磁场的电磁吸引力所产生的转矩在一个周内要改变两次方向,故不能产生平均的同步电磁转矩,转子不能自行起动。如图4-12所示。同步电动机不能自行启动,通常采用的启动方法有以下几种: 图4-12 同步电动机起动4.2.4 三相同步电动机的启动三相同步电动机的启动 同步电动机不能自行启动,通常采用的启动方法有以下几种: (1)辅助启动法:起动时在同步电动机的定子中通入三相交流电,同时,用一台异步电动机或其它原动机带动同步
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