第4章 控制电机 电子课件 中职电机拖动与电控技术（第3版）.ppt

《第4章 控制电机 电子课件 中职电机拖动与电控技术（第3版）.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章 控制电机 电子课件 中职电机拖动与电控技术（第3版）.ppt（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第4章 控制电机 电子课件 中职 高教版 电机拖动与电控技术（第3版）第第4章章 控控 制制 电电 机机电子教案电子教案电机拖机拖动与与电控技控技术（第（第2版）版）2 4.1 测速发电机测速发电机 4.1.1 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机的工作原理与普通直流发电机相同，在恒定磁场下，电枢以速度n旋转时，电枢导体切割磁力线产生感应电动势，其值为 当接上负载后，如果负载电阻为RL，在不计电枢反应的条件下，输出电压U为 3 可见，如果电枢回路总电阻Ra（包括电枢绕组电阻与换向器接触电阻）、负载电阻RL和磁通都不变，直流测速发电机的输出电压U与转速成线性关系，即U=f（n）是一条过原

2、点的直线，其斜率为 ，称为直流测速发电机的输出特性，如图4.1所示。实际上，直流测速发电机在运行时，有一些因素会引起某些量的变化而造成线性误差，所以，实际输出特性曲线如图4.1中实线所示。图4.1 直流测速发电机的输出特性 4 4.1.2 交流测速发电机交流测速发电机 在机座号小的测速发电机中，定子槽内放置空间上相差90电角度的两套绕组，一套为励磁绕组N1，一套为输出绕组N2；在机座号较大时，常把励磁绕组放在外定子上，而把输出绕组放在内定子上，以便调节内、外定子间的相对位置，使剩余电压最小。图4.2是交流异步测速发电机的工作原理图，定子上励磁绕组接频率为f1的恒定单相电压Uf，转子不动时，励磁

3、绕组与杯形转子之间的电磁关系和二次绕组短路的变压器一样，励磁绕组相当于变压器的一次绕组，杯形转子就是短路的二次绕组（杯形转子可以看成导条无数多的笼型转子）。5图4.2 交流异步测速发电机工作原理图 6 此时，励磁绕组的轴线上产生直轴（d轴）脉振磁动势，其磁通 以电压Uf的频率f1脉振，在转子上产生感应电动势Ed和电流（涡流）IRd，IRd形成反向磁动势，但合成磁动势不变，磁通仍是直轴脉振磁通 ，与交轴上的输出绕组没有交链，故输出绕组中不产生感应电动势，输出电压为零。当转子旋转时，转子绕组中仍将沿d轴感应一变压器电动势，同时转子导体将切割磁通 ，并在转子绕组中感应一旋转电动势 ，其有效值为7 由

4、于 按频率f1交变，所以 也按频率f1交变。当 为恒定值时，与转速n成正比。在 的作用下，转子将产生电流IRq，并在交轴（q轴）方向上产生一频率为f1的交变磁通 。由于 作用在q轴，将在定子输出绕组N2中感应变压器电动势，有效值为因 ，而ERn，故输出电动势为 上式表明杯形转子测速发电机的输出电压U2与转速n成正比，并且输出电压的频率仅取决于Uf的频率，而与转速无关，当电机反转时，输出电压的相位也相反。8 4.2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的工作原理和普通直流电动机相同。只要在其励磁 绕组中有电流通过并产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通相互作用而产生转

5、矩，便可使伺服电动机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不像交流伺服电动机那样有“自转”现象。直流伺服电动机的励磁绕组和电枢绕组分别装在定子和转子上，工作时可以由励磁绕组励磁，用电枢绕组来进行控制，或由电枢绕组励磁，用励磁绕组来进行控制，这两种控制方式的特性有所不同。9 电枢控制时，直流伺服电动机的线路图如图4.3所示。图中由励磁绕组进行励磁，即将励磁绕组接于恒定电压Uf的直流电源上，绕组中通过电流If以产生磁通。电枢绕组接受控制电压Uc，作为控制绕组。当控制绕组接到控制电压Uc之后，电动机就转动，控制电压消失，电动机立即停转，这就是无自转现象。电枢控制时，直流伺服电动机的

6、机械特性和他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械性相似，也是线性的。图4.3 直流伺服电动机枢控线路图10 4.2.2 交流伺服电动机交流伺服电动机 图4.4是交流伺服电动机原理图，其中励磁绕组f和控制绕组c均装在定子上，它们在空间上相差90电角度。励磁绕组由定值的交流电压励磁，控制绕组由输入信号（交流控制电压Uc）供电。图4.4 交流伺服电动机原理图11 交流伺服电动机的工作原理与具有辅助绕组的单相异步电动机相似，它在系统中运行时，励磁绕组固定接到单相交流电源上，当控制电压为零时，气隙内的磁场仅有励磁电流If产生脉振磁场，电动机无启动能力，转子不转；若控制绕组有控制信号输入时，则控制绕组内有

7、控制电流Ic通过，若使Ic与If不同相，则在气隙内建立了一定大小的旋转磁场，电动机就能自行启动；但一旦受控启动后，即使控制信号消失，电动机仍能继续运行，这样，电动机就失去控制作用。单相交流伺服电动机这种失控而自行旋转的现象称为自转。显然，自转现象是不符合可控性要求的。可以通过增大电动机转子电阻，使伺服电动机在控制信号消失（控制电压为零）时处于单相励磁状态，电磁转矩为负值，以制动转子旋转，克服自转现象。当然，过大的转子电阻将会降低电动机的启动转矩，以致影响速应性。12 4.3 直流力矩电动机直流力矩电动机 4.3.1 直流力矩电动机的结构和原理直流力矩电动机的结构和原理图4.5所示为直流力矩电动

8、机的结构示意图，定子是一个用软磁材料做成的带槽的环，槽中镶入永久磁铁。转子由铁心、绕组和换向器三部分组成，铁心和绕组与普通直流电动机的相似，换向器的结构则有所不同。它采用导电材料做槽楔，槽楔和绕组用环氧树脂浇铸成一个整体，槽楔的一端接线，另一端加工成换向器。电刷架是环状的，它紧贴于定子一侧。电刷装在电刷架上，可按需要调节电刷位置。13 图4.5 直流力矩电动机结构示意图 14 扁平结构的力矩电动机能产生较大转矩、较低转速的原理从式 可以看出，在相同的体积和控制电压下，若把电枢直径Da增大一倍，电枢总导体数N因电枢槽面积的加大而增大4倍，电枢长度将减少到原来的1/4。假定气隙平均磁密及电枢导体电

9、流不变，电磁转矩T将比原来增大一倍。转速下降至原来的一半。可见，在气隙平均磁密、电枢导体电流及电枢电压相同时，电动机电磁转矩与电枢外径近似成正比，转速与电枢外径近似成反比。15 4.3.2 直流力矩电动机的特点 1可直接与负载连接 直流力矩电动机具有较高的耦合刚度、机械共振频率、转矩和惯量比。2反应速度快 直流力矩电动机电磁时间常数很小，一般在几毫秒甚至在1ms以内。机械特性设计得较硬，总的机电时间常数约十几毫秒、几十毫秒。3低速时能平稳运行 直流力矩电动机通常在每分钟几转到几十转时，其力矩波动约为5%。4线性度好、结构紧凑直流力矩电动机特别适用于尺寸、重量和反应时间必须最小，而位置与转速控制

10、精度要求高的伺服系统。16 4.4 自整角机自整角机 4.4.1 力矩式自整角机的工作原理 力矩式自整角机的接线图如图4.6所示，图中左边的自整角机称为发送机，右边的称为接收机。它们的转子励磁绕组Z1Z2和Z1Z2接到同一单相电源上，同步绕组的出线端按顺序依次连接。当发送机和接收机的励磁绕组相对于本身的同步绕组偏转角分别为1和2时，两者的相对偏转角为=12。这个相对偏转角称为失调角。当1=0时（谐调状态），励磁绕组Z1Z2和Z1Z2产生的脉振磁场轴线分别与各自同步绕组之间的耦合位置关系相同，故发送机和接收机对应的同步绕组感应电动势相等，即等电位，它们之间没有电流。17 当发送机转子绕组及其脉振

11、磁场轴线由主令轴带动向逆时针方向偏转1角时，即1=1，2=0，便出现失调状态。这样，Z1Z2和Z1Z2的脉振磁场轴线与各自同步绕组的耦合位置关系不再相同，感应电动势大小不等，发送机和接收机同步绕组之间便产生电流。此电流经过两个同步绕组，与励磁磁场作用产生整步转矩，其方向使Z1Z2顺时针转动，使Z1Z2逆时针转动，即力图使失调角1趋于零。由于发送机的转子与主令轴相接，不能任意转动，因此整步转矩只能使接收机转子跟随发送机转子逆时针转过2=1角，使失调角为零，差额电动势、电流消失，整步转矩变为零。系统进入新的谐调位置，实现了转角1的传输。18 4.4.2 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作

12、原理 若把发送机和接收机的转子绕组（即励磁绕组）互相垂直的位置作为谐调位置，并将接收机的转子绕组Z1Z2从电源断开，其线路如图4.7所示，这样接线的自整角机系统便成为控制式自整角机。当发送机转子由主令轴转过角，即出现失调角时，接收机转子绕组即输出一个与失调角具有一定函数关系的电压信号，这样就实现了转角信号的变换。19图4.7 控制式自整角机接线图 20 在谐调位置上，当发送机转子与单相励磁电源接通时，产生脉振磁场。按变压器原理，定子三个空间对称的同步绕组中都产生感应电动势。这三个电动势频率相同，相位相同，但由于与转子绕组耦合位置不同，三个电动势幅值不同，其中ED1最大，令 ，则 ，。三个电动势

13、分别产生三个同相电流，它们流经发送机和接收机定子的三个绕组，产生两组三个脉振磁动势。在发送机中，三个脉振磁动势的脉振频率相同，时间相位也相同，但幅值不同，且在空间位置上互差120电角度，则合成磁动势仍为一个脉振磁动势，轴线在D1绕组轴线上。同理，在接收机中，合成磁动势也是一个脉振磁动势，轴线在定子D1绕组轴线上。由于接收机转子绕组磁场轴线与之垂直，故合成脉振磁动势不会使其转子绕组产生感应电动势，即转子绕组输出电压为零。21 当发送机转子被主令轴转过角时，同步绕组因耦合位置发生变化，三个绕组上的感应电动势大小也发生变化。电流和磁动势也是这样，但三个磁动势在空间各相差120电角度，频率相同，不难将

14、其合成，且合成脉振磁动势的轴线也跟着转过角。因为接收机同步绕组中的电流就是发送机中同步绕组的电流，而两者绕组结构又完全相同，故接收机同步绕组合成脉振磁动势轴线也必然从D1绕组的轴线位置转过角。在未出现失调时，接收机转子绕组轴线与其同步绕组合成磁动势轴线互相垂直，两者无耦合作用；而出现失调角时，接收机同步绕组脉振磁场的磁通就会穿链其转子绕组而感生电动势E2为 式中，E2m为当=90电角度时转子绕组的最大输出电动势。22E2只与失调角有关，而与发送机和接收机转子本身位置无关。E2经放大后加到交流伺服电动机的控制绕组上，使伺服电动机转动。伺服电动机一方面拖动负载，另一方面转动接收机转轴，一直到Z1Z

15、2与Z1Z2再次垂直谐调，接收机转子绕组中电动势消失，使负载的转轴处于发送机所要求的位置。此时接收机与发送机的转角相同，系统又进入新的谐调位置。23 4.5 步进电动机步进电动机 4.5.1 单段反应式步进电动机单段反应式步进电动机 图4.8所示为三相反应式步进电动机的原理示意图。A相绕组通电时，由于磁力线力图通过磁阻最小的磁路，转子齿1、3受到磁阻转矩的作用，转至其轴线与A相绕组轴线重合。此时磁力线通过的磁路磁阻最小，转子只受径向力而无切向力，磁阻转矩为零，转子在此位置静止，如图4.8（a）所示。当A相断电，B相通电，转子齿2、4逆时针转过30空间机械角，使其轴线与B相绕组轴线重合，如图4.

16、8（b）所示。显然，B相断电而C相通电时，转子再逆时针转过30空间角，如图4.8（c）所示。若按ABCA顺序通电，转子就沿逆时针方向一步一步前进（转动）；如按ACBA顺序通电，转子便沿顺时针方向一步一步转动。24 图4.8 三相反应式步进电动机原理示意图 按上述三相依次单相通电方式，称为“三相单三拍运行”，“三相”指三相绕组，“单”指每次仅有一相通电，“三拍”指三次通电为一个循环。三相反应式步进电动机的通电方式还有“双三拍”和“三相单双六拍”等。25 “双三拍”：按ABBCCAAB顺序通电，即每次有两相通电。通电后所建立磁场轴线与未通电的一相磁极轴线重合，因而转子磁极轴线与未通电一相的磁极轴线

17、对齐，例如A、B相通电，与C-C磁极轴线对应。按此方式运行与“单三拍”相同，步距角不变。“三相单双六拍”：按AABBBCCCAA顺序通电，相当于前述两种通电方式的综合，步距角为“三拍”方式的一半。这种简单的三相反应式步进电动机，步距角太大，即每一步转过的角度太大，很难满足生产中提出的位移量要小和精确度的要求。26 4.5.2 多段式步进电动机多段式步进电动机 图4.10所示五相电动机的定子、转子都分为五段，即A、B、C、D、E五相。定子、转子均为18个齿，齿距角为20。定子相间错位，即B相相对A相沿顺时针方向错开1/5齿距（4），C、D、E相依次类推，转子相间不错位。1五相单五拍运行 按ABC

18、DEA的顺序通电励磁。当A相通电时，A相定子、转子齿一一对齐，其他各相没有励磁，定子、转子均相对错开。当A相断电而B相通电时，A相铁心磁路中磁通为零，仅B相定子、转子磁路中有磁通，于是转子沿顺时针方向转过4与B相定子齿对齐。同理，B相断电而C相通电时，转子又顺时针转动一步，步距角为4。27 4.6 旋转变压器旋转变压器 4.6.1 正、余弦旋转变压器正、余弦旋转变压器 正、余弦旋转变压器，即其输出电压是转子转角的正、余弦函数，其原理如图4.11所示。图中D1D2、D3D4为定子上两个互差90电角度的正弦绕组，其匝数均为ND。Z1Z2、Z3Z4图4.11 正、余弦旋转变压器原理图为转子上两个互差

19、90电角度的正弦绕组，其匝数均为NZ。则转子绕组与定子绕组的有 效 匝 数 比 为k=NZ/ND。28 转子绕组即输出绕组Z1Z2、Z3Z4开路，且使Z1Z2绕组与D1D2绕组的轴线重合，D3D4绕组也开路。当D1D2绕组上加上交流励磁电压 ，D1D2即为励磁绕组，在气隙中，建立一个和转子位置无关的，且按正弦规律变化的脉振磁场，Z1Z2绕组好像变压器的二次绕组，脉振磁场在其中感应产生电动势为 同理可得出Z3Z4绕组中的电动势为 从以上两式可看出，在励磁电压UD不变和匝数比k一定的条件下，输出绕组Z1Z2中电动势的有效值为转角的余弦函数，即而输出绕组Z3Z4中，电动势的有效值为转角的正弦函数，即

20、29图4.10 多段式五相步进电动机示意图 30 1五相单五拍运行五相单五拍运行按ABCDEA的顺序通电励磁。当A相通电时，A相定子、转子齿一一对齐，其他各相没有励磁，定子、转子均相对错开。当A相断电而B相通电时，A相铁心磁路中磁通为零，仅B相定子、转子磁路中有磁通，于是转子沿顺时针方向转过4与B相定子齿对齐。同理，B相断电而C相通电时，转子又顺时针转动一步，步距角为4。2五相十拍运行五相十拍运行按 ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB的顺序通电，称为五相十拍运行方式。如果AB两相同时通电，转子铁心的每一个齿，在两相定子磁场的作用下，只能停在A相和B相两齿中间的位置。而ABC

21、三相同时通电时，显然转子的齿将停在正对B相齿位置。因此这种通电方式，每拍转过的步距角只有五相五拍的一半，即 。31 正、余弦旋转变压器，即其输出电压是转子转角的正、余弦函数，其原理如图4.11所示。图中D1D2、D3D4为定子上两个互差90电角度的正弦绕组，其匝数均为ND。Z1Z2、Z3Z4为转子上两个互差90电角度的正弦绕组，其匝数均为NZ。则转子绕组与定子绕组的有效匝数比为k=NZ/ND。图4.11 正、余弦旋转变压器原理图4.6 旋转变压器旋转变压器4.6.1 正、余弦旋转变压器正、余弦旋转变压器32转子绕组即输出绕组Z1Z2、Z3Z4开路，且使Z1Z2绕组与D1D2绕组的轴线重合，D3

22、D4绕组也开路。当D1D2绕组上加上交流励磁电压，D1D2即为励磁绕组，在气隙中，建立一个和转子位置无关的，且按正弦规律变化的脉振磁场，Z1Z2绕组好像变压器的二次绕组，脉振磁场在其中感应产生电动势为 同理可得出Z3Z4绕组中的电动势为 从式（4-7）和式（4-8）可看出，在励磁电压UD不变和匝数比k一定的条件下，输出绕组Z1Z2中电动势的有效值为转角的余弦函数，即而输出绕组Z3Z4中，电动势的有效值为转角的正弦函数，即33 4.6.2 线性旋转变压器线性旋转变压器 图4.12所示为线性旋转变压器的原理图，定子绕组D1D2与转子绕组Z1Z2串联施加励磁电压UD，定子绕组D3D4短接，起补偿作用

23、，转子绕组Z3Z4为输出绕组。转子逆时针方向转过角，使Z1Z2绕组的轴线从D1D2轴线位置逆时针转过角。由于D3D4绕组的补偿作用，可以认为D1D2绕组及Z1Z2绕组合成磁动势的轴线即为D1D2轴线，如果转子绕组与定子绕组的匝数比 ，在绕组D1D2中感应的电动势为Ed，则在绕组Z1Z2、Z3Z4中感应的电动势分别为34 不计D1D2及Z1Z2绕组中的漏抗压降，根据电动势平衡关系，可得出 若输出绕组Z3Z4的负载阻抗很大，则输出电压为 上述两有效值之比为 上式中，当k0.52时，UZ=f（）的关系如图4.13所示。从所示曲线可以看出，在=60范围内，输出电压UZ随角做线性变化。这种线性关系与理想的直线关系比较，误差不超过0.1%。35 图4.12 线性旋转变压器原理图 图4.13 k0.52时，UZ=f（）的关系36