电机与电力拖动基础教程第8章.ppt

宁波工程学院,电机原理与拖动基础,下页,8章,第8章特种电机,下页,上页,8章,本章教学基本要求(自学为主),了解单相异步电动机的工作原理，掌握其起动方法。了解伺服电动机的基本结构及工作原理，掌握其控制方法和运行特性。了解测速发电机的基本结构及工作原理。了解步进电动机的基本结构，掌握反应式步进电动机的工作原理。,下页,上页,返回,8章,本章教学重点和难点,重点：1.单相异步电动机的起动方法；2.伺服电动机的控制方法和运行特性；3.反应式步进电动机的工作原理；难点：伺服电动机的控制方法和运行特性。,下页,上页,返回,8章,8.1单相异步电动机,工作原理起动分类,8章,设单相绕组中流过的电流为：,单相脉振磁动势的基波表达式为：,此式表明，一个脉振磁动势可以分解为两个幅值相等、方向相反的磁动势。与电动机转向相同的称为正转磁动势，称为逆转磁动势。,一、单相异步电动机的工作原理,所产生的磁动势为一个单相脉振磁动势。,下页,上页,返回,8章,如图所示：,和普通的三相异步电机一样，正转磁动势与逆转磁动势均切割转子导体，并感应出电流，产生转矩。由于T+与T-方向是相反的，他们抵消后剩下的部分才是电机的转矩。无论T+与T-，他们的大小与三相异步电动机的情况是一样的，如转速为n，则转差率为：,下页,上页,返回,8章,由此可绘出单相异步电动机的Ts曲线为：,下页,上页,返回,8章,从曲线上可看出单相异步电动机的特点为：,1、当电动机不转时，n=0,s+=s-=1,合成转矩T=T+T-=0,说明单相感应电动机无起动转矩，如不采取其它措施，电动机不能起动。(定子绕组产生脉振磁动势，起动瞬间电磁转矩为0),3、由于逆转矩T-的存在，使电机的总转矩减小，所以单相异步电动机的过载能力较三相异步电动机小，负载转矩相同时，s则较大。,2、合成转矩曲线对称于s+=s-=1点。若外力使电动机转动起来，合成转矩不为零，这时若合成转矩大于负载转矩，则即使去掉外力，电动机也能被加速到接近同步转速n1。旋转方向由起动时电动机的转向而定。,下页,上页,返回,8章,二、单相异步电机的主要类型和起动方法,1、分相电动机(分相起动),特点：1）辅助（起动）绕组和电容按短时工作设计；2）电容起分相和提高功率因数的作用。由于辅助绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达7580%n1时，离心开关自动打开。3)常用于空调、电冰箱4）主、辅绕组在空间位置上应互差90电角度。,主绕组,辅助绕组,下页,上页,返回,电容起动电动机,8章,电容电动机这种电动机与电容分相电动机结构一样，实质是一台两相异步电动机，辅助绕组和电容应按长期工作设计。,特点：,1）起动绕组和电容器按长期工作设计；2）过载能力、功率因数和效率均较高；3）容量能做到五十瓦至几千瓦；4）应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。,下页,上页,返回,8章,2、罩极电动机（罩极起动）,1）罩极电动机分为：凸极式罩极电动机和隐极式罩极电动机，多用于风扇中。,2）凸极式结构特点：定子作成凸极式，由硅钢片叠压而成，主绕组(工作绕组)为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面1/31/4处开有一个小槽，放入罩极绕组（短路环）。转子的转向总是从未被罩部分转向被罩部分；由于制造时短路环的位置已固定，电动机转向不能改变。,下页,上页,返回,8章,当工作绕组通入单相交流电流后，将产生脉振磁通，其中一部分磁通不穿过短路铜环，另一部分磁通则穿过短路铜环。由于两磁通都是由工作绕组中的电流产生的，故同相位并且F1F2。F2在短路环中感应电动势，它滞后F290;短路铜环中就有滞后于感应电动势的电流产生，它又产生与电流同相的磁通，也穿链于短路环，因此罩极部分穿链的总磁通为，由此可见，未罩极部分磁通F1与被罩极部分磁通F3不仅在空间，而且在时间上均有相位差，因此它们的合成磁场将是一个由超前相转向滞后相的椭圆旋转磁场（即由未罩极部分转向罩极部分），由此产生电磁转矩，其方向也为由未罩极转向罩极部分。,8章,8.2伺服电机,伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时停转。由于这种“伺服”的性能因此命名。按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。,下页,上页,返回,作用及工作原理交流伺服电机的控制方式及特点交流伺服电动机的自转现象及消除方法,8章,自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：(1)宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。(2)快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。(3)灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。(4)无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。,下页,上页,返回,8章,直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转。输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。,一、直流伺服电动机,下页,上页,返回,8章,交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如图所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控制绕组，接入控制电压，两绕组在空间上互差90电角度，励磁电压和控制电压Uc频率相同。,二、交流伺服电动机,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处：当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电压上，若控制绕组加上的控制电压Uc为0时（即无控制电压），所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上控制电压，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场（若相位差为90时，则为圆形旋转磁场），于是产生起动力矩，电机转子转动起来。,下页,上页,返回,8章,如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。“自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。消除“自转”的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机在Uc=0时停止转动。可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。在设计电机时，必须满足：转子电阻不能过大，否则会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。,下页,上页,返回,8章,交流伺服电动机的控制方式有三种：,交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式：笼型转子，转子做成又细又长，减小转子的转动惯量，提高快速响应；非磁性空心杯转子，有两个定子即外定子和内定子。,）幅值控制：通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。2）相位控制：通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。3）幅值相位控制：对幅值和相位都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速。,下页,上页,返回,8章,8.3测速发电机,测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和计算技术等装置中。自动控制系统对测速发电机的要求是：(1)线性度好，即输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条件变化的影响。(2)灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。(3)不灵敏区小。(4)转动惯量小，以保证测速的快速性。按电流种类的不同，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。,下页,上页,返回,8章,直流测速发电机就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。交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。1）交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。2）交流同步测速发电机又分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。永磁式同步测速发电机实际就是永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变电势基本与转速成正比；而感应子式和脉冲式同步测速发电机工作原理是一致的：转子转动时，定子、转子齿槽位置相对变化，从而产生脉动的磁场与输出绕组交链，从而产生感应电动势。,下页,上页,返回,8章,8.4步进电机（作用、步距角、通电方式）,步进电动机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此被称为步进电动机或脉冲电动机。步进电动机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，不受电压及环境温度的影响，也没有累积的定位误差，控制输入的脉冲数就能准确地控制输出的角位移量，因而用数字能够精准地定位；而步进电动机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确地控制步进电动机的转速，可以在宽广的范围内精确地调速。由于步进电动机的这一特点正好符合数字控制系统的要求，同时电子技术的发展也解决了步进电动机的电源问题。因此，随着数字计算机的发展，步进电动机的应用也日益广泛。目前，它广泛应用于数控机床、轧钢机、军事工业、数模转换装置以及自动化仪表等方面。,下页,上页,返回,8章,自动控制系统对步进电动机的基本要求是：(1)在一定的速度范围内步进电动机都能稳定运行，输出轴转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走一步，也不能少走一步，即不能出现所渭的“失步”现象。(2)每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小而且精度要高，这样才能使工作台的位移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。,下页,上页,返回,8章,根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），其中反应式步进电动机应用较多。工作原理：三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。,1）当A相控制绕组通电，而B相和C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与相绕组轴线相同的位置上，如图a所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。,下页,上页,返回,8章,2）如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极、对齐，如图b所示，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角q为30，即前进了一步，转过这个角叫做步距角。,3）如果C相通电，A相B相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极C、C对齐，如图c所示。,4）按顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动；若按顺序通电，则电机反向一步一步转动。,下页,上页,返回,8章,在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍；若按顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单