大学考研-电动与拖动课件-第9章控制电机.ppt

大连理工大学电气工程系,第 9 章 控制电机,9.2 直流力矩电动机,9.3 步进电动机,9.4 测速发电机,9.5 自整角机,9.6 旋转变压器,*9.7 感应同步器,9.1 伺服电动机,第 9 章 控制电机,9.2 直流力矩电动机,9.3 步进电动机,9.4 测速发电机,9.5 自整角机,9.6 旋转变压器,*9.7 感应同步器,9.1 伺服电动机,电机与拖动,返回主页,大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,伺服电动机 执行电动机。 功能 将电压信号转换成转角或转速信号。 种类 直流伺服电动机、交流伺服电动机。,1. 直流伺服电动机,2. 交流伺服电动机,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,一、直流伺服电动机,1. 基本结构 与普通小型直流电动机相同。 励磁方式 电磁式： 永磁式：,+ Ua ,电磁式,9.1 伺服电动机,+ Uf ,他励式、并励式、串励式。 稀土永磁材料,+ Ua ,永磁式,（如稀土钴、稀土钕铁硼）。,E,E,大连理工大学电气工程系,2. 工作原理,施加 Ua,Ia,主磁通： ,T,n,E,电磁转矩： T = CT Ia 电动势： E = CE n 电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ia,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,3. 控制方式及其特性,(1) 电枢控制式 Uf = UfN ，,Ua = Uc（控制电压）,Uc3Uc2Uc1,机械特性,9.1 伺服电动机,T3T2T1,控制特性,大连理工大学电气工程系,(2) 磁场控制式,Ua = UaN ， Uf = Uc（控制电压） 忽略磁路饱和、不计电枢反应，则 = C Uf = C Uc,Uc3Uc2Uc1,机械特性,控制特性 非线性。 直流伺服电动机的功率 1 600 W。,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,1. 基本结构 (1) 定子 (2) 转子,二、交流伺服电动机,空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,(1) 当两相绕组分别加上相位相差 90o 的额定电 压时。 对称两相运行 ic 和 if 产生 圆形旋转磁场产生 T 转子旋转。 如果 uc 反相，即改变 ic 和 if 的相序旋转磁场改变方向 n 的方向改变。 同时减小 uc 和 uf 而保持其 90o 的相位差圆形磁通势 的幅值 T n 。,2. 工作原理,SM ,控制绕组,励磁绕组,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,(2) 当 uc = 0 或 uc 0，但 uc 和 uf 同相位时。,电动机处在单相状态脉振磁通势 F0 。,静止时：n = 0，,F0,FF FR,TF TR,T = TFTR,TF = TR，T = 0，不能起动；,正在运行时：,T 0，转子继续旋转 单相自转！,普通异步电动机,R2,交流伺服电动机,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,(3) Uf = UN，UcUN 且保持相位差为 90o 时， 或者 Uf = Uc = UN 但两者的相位差小于 90o 时。,电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生,椭圆形旋转磁通势的分解,大连理工大学电气工程系,椭圆形旋转磁通势的产生 ( uc 和 uf 大小不相等时),9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( uc 和 uf 大小不相等时),大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( uc 和 uf 大小不相等时),大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( uc 和 uf 大小不相等时),大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),大连理工大学电气工程系,90o,180o,270o,t=0o,360o,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,椭圆形旋转磁通势的产生 ( 90o 时 ),9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,椭圆形旋转磁通势的分解,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的分解,大连理工大学电气工程系,结论： 一个椭圆形旋转磁通势 F 可以分解为两个不等 幅、等速的相向旋转的 圆形磁通势 FF 和 FR 。,FF FR,TF TR,9.1 伺服电动机,椭圆形旋转磁通势的分解,大连理工大学电气工程系, 工作状态越不对称，FF 和 FR 相差越小， 椭圆形越扁长，T 越小，n 越低。 例如保持 = 90o 和 Uf 不变，改变 Uc 的大小,Uc 由 0,Uf,FF 增强 FR 减弱,0nnmax,椭圆形旋转磁场,两个旋转磁场 （脉振磁场）,一个旋转磁场, 如果改变 uc 的相位，则 F 的旋转方向改变， 使 T 反向，从而改变 n 的方向。,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,(1) 两相控制 保持 = 90o 和 Uc = Uf ，同时改变Uc 和 Uf 的大小（始终为对称运行）。 (2) 幅值控制 保持 = 90o 和 Uf = UN，改变 Uc 的大小。 (3) 相位控制 保持 Uc = Uf = UN ，改变 的大小。 (4) 幅相控制 同时改变 uc 的大小和相位。 交流伺服电动机的功率和频率： 0.1 100 W，50Hz 、400Hz 等。,3. 控制方式,9.1 伺服电动机,大连理工大学电气工程系,交流伺服电动机,9.1 伺服电动机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,交流伺服电动机,9.1 伺服电动机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,9.2 直流力矩电动机（MT）,一种特殊类型的伺服电动机。 主要特点 能长期处于堵转状态下工作。 低转速、高转矩。 反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。 用途 用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。,1. 基本结构,2. 工作原理,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,一、基本结构,结构特点 扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。 有分装式和内装式两种结构形式。,直流力矩电动机 的结构式意图,9.2 直流力矩电动机,大连理工大学电气工程系,直流力矩电动机,9.2 直流力矩电动机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,1. 长期堵转运行时，要求温度 max。 与max 对应的 Iamax 称为连续堵转电流 Ib。 与 Ib 对应的有：连续堵转转矩 Tb 、连续堵转 电压 Ub、连续堵转功率 Pb。 Pb = Ub Ib，,二、工作原理,2. 受定子永磁体去磁条件限制的参数 峰值堵转电流 IP、峰值堵转转矩 Tb 、峰值 堵转电压 UP、峰值堵转功率 PP。 PP = UP IP，,9.2 直流力矩电动机,大连理工大学电气工程系,9.3 步进电动机,功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角 脉冲信号的个数； 转速 n 脉冲信号的频率。 用途 高精度的角度控制。 分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。,1. 基本结构,2. 工作原理,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,1. 定子 2. 转子,一、基本结构,三相磁阻式步进电动机原理图,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,步进电动机的典型结构,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,二、工作原理,一拍 从一次通电到另一次通电。 步距角 每一拍转子转过的角度。,(1) m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行）,(2) m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行）,(3) m 相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,1. m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行）,通电顺序： U 相V 相W 相U 相。, U 相通电, V 相通电, W 相通电,9.3 步进电机,一步,两步,三步, 步距角： = 30,大连理工大学电气工程系,2. m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行）,通电顺序： UV 相VW 相WU 相。, UV 相通电, VW 相通电, WU 相通电, 步距角： = 30,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,3. m 相单双 2m 拍运行 (三相单双六拍运行）,通电顺序：UUV VVW W WU U。,1,2,3,4,5,6,步距角： = 15,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,步距角,转速 一个 转 (1 / zN ) 圈， 脉冲频率为 f 每秒转 ( f / zN ) 圈。,例如：三相步进电动机 z = 40，则 采用单/双三拍时：,采用三相六拍时：,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,步进电动机的参数,驱动电源,最大静转矩、起动频率、运行频率。 步进电动机的控制方式,9.3 步进电机,大连理工大学电气工程系,步进电动机,9.3 步进电机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,步进电动机,9.3 步进电机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,步进电动机,PK系列：5 相为 0.72步距角的大转矩、低振动步进电动机。2 相为 0.9 1.8步距角的大转矩、低振动步进电动机。,9.3 步进电机,5 相步进电动机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,9.4 测速发电机（TG）,功能 将转速信号转换成与之成正比的电压信号。 用途 校正元件、计算元件。 种类,1. 直流测速发电机,2. 交流测速发电机,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,一、直流测速发电机,1. 基本结构 与普通小型直流发电机相同。 励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。,电磁式,9.4 测速发电机,永磁式,2. 工作原理 空载时：,U = E = CE n,负载时：,U = E Ra I,E,E,大连理工大学电气工程系,U n,RL RL2 RL1,RL2RL1,产生误差的原因 电枢反应。 环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化。 负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。,9.4 测速发电机,大连理工大学电气工程系,二、交流测速发电机,1. 基本结构 定子： 转子： 2. 工作原理,定子铁心上有两相对称绕组。 笼型、杯型。,输出绕组,励磁绕组,正弦交流 uf if d d =dm sint (1) 转子静止时 励磁绕组一次绕组 转子绕组二次绕组, , ,9.4 测速发电机,大连理工大学电气工程系, , , Uf ,If,Ed,忽略励磁绕组的漏阻抗，则,输出绕组： 与d 无交链，不会产生 E0。 即：n = 0 时，U0 = 0 。,9.4 测速发电机,大连理工大学电气工程系, Uf ,If,Ed,(2) 转子旋转时,d,交变感应,旋转切割, ,q,eq = C1d n = C1 n dm sint q = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sint C1、C2 电机常数。,9.4 测速发电机,大连理工大学电气工程系,输出绕组：,输出空载电压：, Uf ,If,d, U0 ,Eq, ,q,结论： U0 n 。 u0 与 uf 同频率、同相位。,9.4 测速发电机,大连理工大学电气工程系,测速发电机,9.4 测速发电机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,9.5 自整角机 （BS）,功能 将转角信号转换成电压信号，或反之。通过 两个或两个以上的组合，以实现转角的传输、 转换和接收。 同步联接系统 无机械联接的两个系统同步转动。 种类 按作用的不同：力矩式、控制式。 按相数的不同：单相、三相。 结构 定子、转子。,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,自整角机的结构示意图,9.5 自整角机, 单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相：定子、转子均为三相绕组。,大连理工大学电气工程系,自整角机的结构图,9.5 自整角机,大连理工大学电气工程系,一、力矩式自整角机,a 发送机,b 接收机,1. 转子处在协调位置时 纵向脉振,T = 0，转子静止。,定 同 子 步 绕 组,9.5 自整角机,大连理工大学电气工程系,2. 转子处在非协调位置时,T 0，,9.5 自整角机,大连理工大学电气工程系,2. 转子处在非协调位置时,T 0，,接收机转子旋转 角。,重新达到协调位置，使,T = 0。,9.5 自整角机,大连理工大学电气工程系,二、控制式自整角机,1 转子处在协调位置时 ,产生纵向脉振磁,场 与输出绕组不交链, U0 = 0。,9.5 自整角机,大连理工大学电气工程系,2. 转子处在非协调位置时,9.5 自整角机, 与输出绕组交链,产生 E0sin。,即 U0sin 。,与输出绕组交链的分量,大连理工大学电气工程系,(a) 励磁绕组在垂直位置时,9.5 自整角机,自整角机中的脉振磁场,(b) 励磁绕组转过 角时,大连理工大学电气工程系,自整角机,9.5 自整角机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,自整角机,9.5 自整角机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,9.6 旋转变压器（BR）,功能 将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。 结构 相当于一台两相绕线型异步电动机。定、转子 铁心上都有两个结构相同而互相垂直的绕组。 种类 计算用和数据传输用旋转变压器。,1. 正余弦旋转变压器,2. 线性旋转变压器,*3. 比例式旋转变压器,*4. 数据传输用旋转变压器,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,一、正余弦旋转变压器,将转子转角变换成与之成正 余弦函数关系的电压信号。,定子 D1D2 ：励磁绕组。 D3D4 ：补偿绕组。 转子 Z1Z2 ：余弦输出绕组。 Z3Z4 ：正弦输出绕组。,基准位置 （初始位置）,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,1. 空载运行,转子处在基准位置时,Uf ID12 FDd d 转子处在基准位置时 在 D1D2 中：d ED 在 Z1Z2 中：d EZ ED = 4.44 f kw1 N1dm EZ = 4.44 f kw2 N2dm Uf = ED（忽略漏阻抗） Ucos = EZ = kED = kUf Usin = 0,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,转子偏离基准位置 角时,转子偏离基准位置 角,Z12 =d cos Z34 =d sin EZ12 = EZ cos = kED cos = kUf cos EZ34 = EZ sin = kED sin = kUf sin 空载输出电压： Ucos = kUf cos Usin = kUf sin,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,设 Z1Z2 接负载,2. 负载运行,EZ12IZ12FZ12,FZd (纵向) FZq (横向),FZd = FZ12 cos FZq = FZ12 sin,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,补偿方式,(1) 定子边补偿 (2) 转子边补偿 (3) 定转子边同时补偿,将定子绕组 D3D4 短路。,将 Z3Z4 接 ZC 。,若 ZC = ZL，Zq = 0。,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,二、线性旋转变压器,功能 在一定的转角范围内，输出电压与转子转角 成正比。 结构 与正弦、余弦旋转变压器相同。 一般的正、余弦旋转变压器 UZ34 = EZ sin 当 很小时： UZ34EZ 例如： = 14o = 0.244 346 rad sin 14o = 0.241 922 = 5o = 0.087 266 rad sin 5o = 0.087 156,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系, Uf , U0 ,因为 定子边补偿， 所以 认为 q = 0 dED12、EZ12、EZ34 三个 E 大小不同、相位相同。 忽略漏阻抗，则 Uf = ED12EZ12 = EDEZ cos = ED (1k cos) 电压比：,输出（忽略漏阻抗）： U0 = EZ34 = EZ sin,= k ED sin,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,结论： (1) 当取 k = 0.52 时 如果 60o60o 则 U0 误差：0.1% (2) 考虑漏阻抗，取 k = 0.56 0.57,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,*三、比例式旋转变压器,用途 求解三角函数、 调节电压、阻抗匹配。 结构 与正、余弦旋转变压器 相同，转轴上装有调整 齿轮，能固定转子。,Ucos = kUf cos Usin = kUf sin,9.6 旋转变压器,大连理工大学电气工程系,*四、数据传输用旋转变压器,旋变发送机,旋变变压器,9.6 旋转变压器,工作原理和用途与控制式自整角机相同。 精度较高。,大连理工大学电气工程系,旋转变压器,9.6 旋转变压器,更多的图片,大连理工大学电气工程系,*9.7 感应同步器（BIS）,功能 将转角或直线位移转换成电压信号。 分类,1. 圆盘式感应同步器,2. 直线式感应同步器,第9 章 控制电机,大连理工大学电气工程系,一、圆盘式感应同步器,转子,定子,工作方式：转子方励磁、定子方励磁。 典型应用：转台的角度数字显示和精确定位。,9.7 感应同步器,大连理工大学电气工程系,1. 转子方励磁,Usin = kRUR sin Ucos = kRUR cos,kR 转子方励磁时的电压传输系数。 2. 定子方励磁 转子绕组的空载输出电压 UR = kS Usin sin UR = kS Ucos cos kS 定子方励磁时的电压传输系数。,9.7 感应同步器,大连理工大学电气工程系,二、直线式感应同步器,滑尺 定尺 ,工作状态：鉴相式、鉴幅式。 典型应用：用于有平移运动的车床， 测量刀架位移。,9.7 感应同步器,大连理工大学电气工程系,练 习 题,第9 章 控制电机,9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.2.1 9.3.1 9.3.2 9.4.1 9.4.2 9.6.1 9.6.2 * 以教师画勾的题为准。,下一章,