项目五特种电机的应用电机与电气控制技术 电子教案.doc
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1、电机与电气控制技术与实践项目五 特种电机的应用任务一 伺服电动机的应用学习目标了解伺服电动机的特点、用途和分类;认识伺服电动机的结构;熟悉伺服电动机的基本工作原理和主要运行性能;了解伺服电动机的控制方式。任务分析伺服电动机也称执行电动机,在自动控制系统中作为执行元件其作用是把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。输入的电压信号称为控制电压,改变控制电压可以改变伺服电动机的转速及转向。自动控制系统对伺服电动机的基本要求有如下几点。(1)快速响应,灵敏度高;(2)无“自转”现象,即当控制电压为零时,电机应能迅速自动停转;(3)要有尽可能大的调速范围;(4)具有线性的机械特性和调节特性;(5
2、)过载能力强。根据使用电源的不同,伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大,功率范围为1600 W,有的甚至可达上千瓦;而交流伺服电动机输出功率较小,功率范围一般为0.1100 W,基中最常用的在30W以下,如图5-1所示。图5-1 几种伺服电动机外形知识链接一、直流伺服电动机1基本结构2工作原理及特性直流伺服电机的工作原理与普通小型他励直流电动机相同,其转速由信号电压控制。信号电压若加在电枢绕组两端,称为电枢控制;若加在励磁绕组两端,则称为磁场控制。由于电枢控制的直流伺服电机具有机械特性线性度好、精度高、响应速度快等优点,所以在工程上多采用电枢控制方式。
3、直流伺服电机的机械特性方程式与他励直流电动机一样:采用电枢控制时,为控制信号电压,为常数。图5-2(a)为电枢控制式直流伺服电机的接线原理图,当电枢电压改变时,可得一组平行的机械特性,如图5-2(b)所示,从机械特性可以看出,负载转矩一定即电磁转矩一定时,转速与控制信号电压成正比。当控制信号电压消失时,电动机工作在能耗制动状态,能迅速停转。改变电枢电压的极性,伺服电动机就反转。图5-2 直流伺服电动机的电路与机械特性(a)电枢控制接线原理图 (b)电枢控制机械特性直流伺服电动机的优点是具有线性的机械特性,起动转矩大,调速范围大。缺点是电刷与换向器之间的火花会产生电磁干扰,需要定期更换电刷,维护
4、换向器。二、交流伺服电动机长期以来,在要求调速性能较高的场合,一直占据主导地位的是直流调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点,如电刷和换向器易磨损;换向器换向时会产生火花,结构复杂,制造成本高等。而交流电动机,特别是笼型异步电动机没有上述缺点,且转子转动惯量较直流电动机小,使得动态响应更好。随着新型大功率电力电子器件、新型变频技术、现代控制理论以及微机数控等在实际应用中取得的重要进展,到了20世纪80年代,交流伺服驱动技术已取得了突破性的进展。1基本结构交流伺服电动机的基本结构与电容运转单相异步电动机相似,其定子铁心也是由冲有齿和槽的硅钢片叠压而成。定子槽中装有励磁绕组和控制绕组,两个绕组
5、在空间互差电角度,励磁绕组与交流电源相连接,控制绕组接输入信号,如图5-3所示。图5-3 交流伺服电动机原理图交流伺服电动机转子的结构形式有笼型转子和空心杯形转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子类似,但转子导体的电阻比一般的异步电动机大得多,因此起动电流较小而起动转矩较大。为了使伺服电动机对输入信号有较高的灵敏度,必须尽量减小转子的转动惯量,所以转子一般做得细而长。空心杯形转子结构的交流伺服电动机,其定子分内外两个部分,均用硅钢片叠成。在外定子上装有空间上互差90电角度的两相绕组,而内定子铁心只用来构成闭合磁路,以减小磁阻。在内外定子之间有一个细长的杯形转子,杯子底部固定在转轴上
6、。杯形转子由非磁性材料制成,壁厚只有0.3mm左右。杯形转子的优点是转子非常轻,转动惯量很小,能非常迅速和灵敏地起动、调速和停止,缺点是气隙较大,因此空载励磁电流大,功率因数和效率较低。2工作原理及特性交流伺服电动机的工作原理与单相电容运行异步电动机相似。没有控制信号时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场。电动机的电磁转矩为零,转子不动。若在控制绕组中加一个控制信号后,就会在气隙是产生一个旋转磁场,并产生电磁转矩使转子沿旋转磁场的方向转动。如果转子的参数设计得与单相异步电动机一样,则当控制信号消失后,电动机继续转动,这样电动机就失去了控制,伺服电动机的这种失控而继续旋转的现象称为“自转”。“自转
7、”现象显然不符合伺服电动机的可控性要求,必须加以克服。克服“自转”现象的方法是增大转子电阻。从单相异步电动机的工作原理可知,当励磁绕组单独通电时,其机械特性由正向旋转磁场产生的正向机械特性和反向旋转磁场产生的反向机械特性叠加而成,当转子电阻足够大时,正反向机械特性的临界转差率均大于1,如图5-4所示,其合成机械特性在第II、IV象限,电磁转矩是制动性质的,相当于能耗制动。因此,当控制信号消失后,只有励磁绕组单独通电时,不论原来转向任何,总会受到制动转矩的作用,使电动机迅速停转。控制绕组中加不同的信号电压时,气隙中会产生椭圆形旋转磁场,从而得到不同的转速。图5-4 克服“自转”的机械特性3控制方
8、法交流伺服电动机的励磁绕组通常都设计成对称的,当控制信号电压与励磁电压也对称时,两相绕组产生圆形旋转磁场,电动机转速最高。如果控制信号电压与励磁电压的幅值不等或相位差不是90电角度,则产生椭圆形的旋转磁场。所以改变控制电压的大小和相位就可以改变旋转磁场的椭圆度,从而控制伺服电动机的转矩和转速,具体的控制方法有三种:(1)幅值控制保持控制信号电压的相位不变,始终与励磁电压相差电角度,改变的幅值来控制伺服电动机的转速。(2)相位控制保持控制信号电压的幅值不变,通过移相器改变与的相位差来控制电动机的转速。(3)幅相控制同时改变控制信号电压的幅值和相位,使信号系数发生变化,从而控制电动机的转速。幅相控
9、制的机械特性也与幅值控制时相似,但线性度要差一些。由于幅相控制不需要专门的移相设备,电路最简单,所以实际应用较多。无论哪种控制方式,只要将控制信号电压的相位改变180电角度,即可改变交流伺服电动机的转向。交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。电源频率为50Hz时,电压有36V、110V、220V、380V几个等级。电源频率为400Hz时,电压有20V、36V、115V几个等级。交流伺服电动机运行平稳,噪音小,但控制特性的线性度较差。由于转子电阻大,所以损耗大,效率低,因此只适合于100W以下的小功率控制系统中。任务二 测速发电机的应用学习目标了解测速发电机的功能和应用;熟悉直流测速发电机
10、的基本结构和工作原理;熟悉交流测速发电机的基本结构和工作原理。任务分析测速发电机是一种反映转速的信号元件,它的作用是将输入的机械转速变换成电压信号输出,这就要求发电机的输出电压与转速成正比关系,其输出电压可用下式表示:在自动控制系统和计算装置中测速发电机主要用作测速元件、阻尼元件、解算元件和角加速信号元件。自动控制系统对测速发电机的要求是:测速发电机的输出电压与转速保持严格的线性关系,且不随外界条件的改变而发生变化;电机的转动惯量要小,以保证反应迅速;电机的灵敏度要高,即测速发电机的输出电压以转速的变化反应灵敏。测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。 图5-5 测速发电机知识链
11、接 一、直流测速发电机1基本结构直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同。其电枢结构有普通有槽电枢、无槽电枢、空心杯电枢和圆盘式印刷绕组电枢等。直流测速发电机按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。他励式直流测速发电机结构较复杂,励磁绕组的电阻会随温度而变化,容易引起测量误差,国产他励式直流测速发电机的产品型号为CD。永磁式测速发电机结构简单,不需励磁电源,应用较为广泛,国产永磁式直流测速发电机的产品型号为CY。2工作原理及特性直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同,他励式直流测速发电机的原理如图5-6(a)所示。图5-6 直流测速发电机(a)工作原理 (b)输出特性在励磁绕组上加直流电
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