机械电子工程原理第四章电气执行元件

1、机械电子工程原理机械电子工程原理第四章第四章 电气执行元件电气执行元件 2基本概念基本概念n电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行元件，特别是各种执行电动机。元件，特别是各种执行电动机。 n对任何电动机，都可定义功率密

2、度和比功率两项对任何电动机，都可定义功率密度和比功率两项指标。指标。功率密度功率密度 ，P为电动机功率；为电动机功率；V为电动机的体积。为电动机的体积。 比功率比功率 TN为额定转矩。为额定转矩。 PPVNN()|T TdPd TdTdtdtdt3基本概念基本概念n对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运行。这种场合下功率密度是主要指标。行。这种场合下功率密度是主要指标。 n对于起停较

3、多的场合，如用于高速打印机、绘图对于起停较多的场合，如用于高速打印机、绘图仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低速平稳性，而比功率高是主要要求。速平稳性，而比功率高是主要要求。n比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机步进步进电机电机直流伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机。交流伺服电动机。 4电动机电动机n按照电源形式分类：按照电源形式分类：直流电动机直流电动机交流电动机交流电动机n按照用途分类：按照用途分类：驱动用电动机（进行能量转换）驱动用电动机（进行能量转换）控制用电动机控制用电动机 （进行控制信号转换和传

4、送）（进行控制信号转换和传送） 步进电动机步进电动机 伺服电动机伺服电动机54.1直流电动机直流电动机n优点：优点：调速范围宽广，调速特性平滑调速范围宽广，调速特性平滑过载能力较强，起动和制动转矩较大过载能力较强，起动和制动转矩较大控制方法简单，动态响应快控制方法简单，动态响应快n缺点：缺点：存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运转和易燃场合转和易燃场合制造复杂，大容量直流电动机成本较高制造复杂，大容量直流电动机成本较高6直流电动机直流电动机n按照励磁方式分类按照励磁方式分类永磁式永磁式稀土永磁体的广泛应用稀土永磁体的广泛应用励磁式励磁式

5、他励式他励式 串励式串励式 自励式自励式 并励式并励式 复励式复励式n速度控制方法速度控制方法调压调速调压调速弱磁调速弱磁调速电枢回路串入电阻电枢回路串入电阻效率较低效率较低7直流电动机调速方法直流电动机调速方法n弱磁调速：所需控制功率较小弱磁调速：所需控制功率较小为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实际上很困难（反电势的原因）际上很困难（反电势的原因）励磁电路时间常数较大，调节时间长励磁电路时间常数较大，调节时间长n调压调速（电枢电压控制）：调压调速（电枢电压控制）：要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。可利用电

6、枢反电动势作为阻尼可利用电枢反电动势作为阻尼实际应用要考虑功率放大器的时间常数实际应用要考虑功率放大器的时间常数8直流电动机稳态特性直流电动机稳态特性1n机械特性：机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。n对于并励或者永磁直流电动机对于并励或者永磁直流电动机n当控制电压一定，转速和转矩成当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝负线性关系，此系数绝对值越小，则称机械特性越硬。对值越小，则称机械特性越硬。TeTTaaK KKTK IURRTUa增大增大9直流电动机稳态特性直流电动机稳态特性2n调节特性：调节特性：指一定负载转矩下指一定负载转矩下

7、稳态转速稳态转速随控制电压变化随控制电压变化的关系的关系n直流电动机具有优良的调速特性直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便调速平滑、方便,调速范调速范围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。UaT增大增大aeTeURTKK K10直流电动机动态特性直流电动机动态特性n动态电压：动态电压：因电枢旋转产生的感应电动势，使得因电枢旋转产生的感应电动势，使得电枢上的电流随转速变动电枢上的电流随转速变动n动态转矩：动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量将直流电动机的负载和转子转动惯量合成为合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦，并考虑转动时的粘性摩擦

8、(系数系数k)2aepNEKaaaaaaadILR IEUdtTadJkTK Idt11直流电动机调速装置直流电动机调速装置 n交流交流-直流变流器直流变流器 工业中大量应用的交流工业中大量应用的交流-直流变流器是晶闸管相位控制直流变流器是晶闸管相位控制变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对其它设备的干扰。其它设备的干扰。n直流直流-直流变流器直流变流器 直流

9、直流-直流变流器有逆变直流变流器有逆变-整流方式和直流斩波方式，目整流方式和直流斩波方式，目前较先进的是晶体管脉宽调制（前较先进的是晶体管脉宽调制（PWM）方式。）方式。系统的系统的响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小，响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小，不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。124.2交流异步电动机交流异步电动机n交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动机。机。n缺点是不

10、能经济地在较为广泛的范围内平滑调速缺点是不能经济地在较为广泛的范围内平滑调速(因变频器价格较高因变频器价格较高)。以往在要求调速范围较宽。以往在要求调速范围较宽的设备中，多采用直流电动机。的设备中，多采用直流电动机。n同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有严格不变的关系严格不变的关系(与磁场同步与磁场同步/异步异步)。160(1)fnsp13交流异步电动机调速方法交流异步电动机调速方法n1. 改变转差率改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转，可在转子绕组中串接电阻来改变转差率差率s 。 这种方法成本低，易实现，但调速机械特性这种方法成本低，易

11、实现，但调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U也也可改变转差率可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动，这种方法损耗也很大。损耗使电动机的效率降低，特性变差。机的效率降低，特性变差。n2. 改变极对数改变极对数p，这种方法调速是有级的，而且调速，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。电动机设计制造时就已决定了范围窄。电动机设计制造时就已决定了p的可取值，的可取值，往往是往往是2或或3。n3. 改变定子供电频率改变定子供电频率f，可以无级地改变电动机的同，可以无级地改变电动机的同步转速步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压

12、与，这种方法称为变频调速，如果定子电压与定子供电频率定子供电频率f 协调，性能会更好。随着电力电子技协调，性能会更好。随着电力电子技术的发展，变频调速应用日益广泛。术的发展，变频调速应用日益广泛。14交流异步电动机特性交流异步电动机特性1n机械特性：机械特性：异步电动机的稳态机械特性指电压恒定异步电动机的稳态机械特性指电压恒定时，转矩时，转矩T与转差率与转差率s或转速或转速n的函数关系。的函数关系。n曲线上的重要点有：曲线上的重要点有： nN ，TN额定转速和额定转矩额定转速和额定转矩 Tst起动转矩起动转矩如果转子电阻大到使机械特如果转子电阻大到使机械特性曲线单调下降，这种交流性曲线单调下降

13、，这种交流异步电动机就适宜用作执行异步电动机就适宜用作执行电动机电动机 。15稳定工作区稳定工作区曲线曲线bc段段n设电动机的负载转矩设电动机的负载转矩TL为稳定值，为稳定值，与电动机的转速无关。电动机工与电动机的转速无关。电动机工作在作在N点，当点，当T= TL时，电动机以时，电动机以恒定速度运转。恒定速度运转。n若某种原因使负载转矩若某种原因使负载转矩TL有所增有所增大，大， 由于惯性电磁转矩由于惯性电磁转矩T还来不还来不及变化，于是有及变化，于是有TTL ，电动机将，电动机将减速运行，减速运行，n减小。由减小。由T(n)曲线可曲线可知：知： n减小又将使减小又将使T增大，重新使增大，重新

14、使电磁转矩电磁转矩T= TL 。这时电动机以。这时电动机以较原来略低的转速稳定运行。较原来略低的转速稳定运行。n这一过程可以表示为：这一过程可以表示为：n当扰动消失，电动机可以重新回当扰动消失，电动机可以重新回到到N点工作。点工作。LLLTTTnTTT16不稳定工作区不稳定工作区曲线曲线ab段段n不稳定工作区对应于不稳定工作区对应于T(n)曲线的曲线的ab段。电磁转矩段。电磁转矩T随着速度的增加而增大。随着速度的增加而增大。电动机在这个区域工作时电动机在这个区域工作时是不稳定的。是不稳定的。n一旦平衡被打破，如果一旦平衡被打破，如果TTL，电动机会越过，电动机会越过最大转矩最大转矩Tm跑到稳定

15、工作跑到稳定工作区区bc中去中去。n注意：注意：“闷车闷车”容易烧毁容易烧毁电动机电动机bLLLTTTnTnTTT超越 点0LLTT TnTnTn（停转）17交流异步电动机特性交流异步电动机特性2n调节特性：调节特性：是指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变是指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化的关系化的关系 。一般作为动力源的交流异步电动机，通常工。一般作为动力源的交流异步电动机，通常工作在额定电压和转速，并不采用通过定子电压调节转速的作在额定电压和转速，并不采用通过定子电压调节转速的办法。办法。 18变频调速变频调速n变频技术是先从电网输入变频技术是先从电网输入50Hz的交流电源，经可的交

16、流电源，经可控或不可控的整流器变成直流电压，再由逆变器控或不可控的整流器变成直流电压，再由逆变器在控制下变换成所需的电压和频率，驱动交流异在控制下变换成所需的电压和频率，驱动交流异步电动机。步电动机。 n异步电动机的变频调速对机械特性的影响：异步电动机的变频调速对机械特性的影响：19变频调速技术变频调速技术n可控整流调压可控整流调压-逆变调频调速逆变调频调速 优点是控制方法方便，调节性能比较好，缺点是可控优点是控制方法方便，调节性能比较好，缺点是可控整流器的功率因数低，而且产生的高次谐波成分多，整流器的功率因数低，而且产生的高次谐波成分多，对电网造成谐波污染。对电网造成谐波污染。 n不可控整流

17、不可控整流斩波调压斩波调压逆变调频调速逆变调频调速 设备的功率因数高，调速范围宽，但输入电流中的高设备的功率因数高，调速范围宽，但输入电流中的高次谐波成分仍很多。次谐波成分仍很多。 n交流交流交流直接变频调速交流直接变频调速 脉宽调制变频调速能同时完成调压和调频，电网功率脉宽调制变频调速能同时完成调压和调频，电网功率因数高，调速范围宽，从电网输入的工作电流中的高因数高，调速范围宽，从电网输入的工作电流中的高次谐波成分少。次谐波成分少。 20通用变频器通用变频器n600kVA以下的中小容量一般用途变频器已经实以下的中小容量一般用途变频器已经实现了通用化。通用变频器可以用于驱动普通异步现了通用化。

18、通用变频器可以用于驱动普通异步电动机，还提供多种控制和保护功能。电动机，还提供多种控制和保护功能。 21两相异步执行电动机的电压控制两相异步执行电动机的电压控制 n两相异步执行电动机的原理图两相异步执行电动机的原理图n其机械特性图其机械特性图 22两相异步执行电动机的电压控制两相异步执行电动机的电压控制n稳态时，用直线方程表示两相异步电动机执行的稳态时，用直线方程表示两相异步电动机执行的转矩转矩-转速关系：转速关系：T= -Kn+KcU1 式中，式中，Kn和和Kc是正的常数是正的常数 n转子的力矩平衡方程转子的力矩平衡方程 n两相异步执行电动机电压控制的调节特性图两相异步执行电动机电压控制的调

19、节特性图22d dTJkdtdt234.3步进电动机步进电动机n步进电动机是一种步进电动机是一种无刷的同步直流电机无刷的同步直流电机，也是一，也是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的电磁机械种将电脉冲信号转换成相应的角位移的电磁机械装置装置 。n步进电动机具有以下特点：步进电动机具有以下特点：1运行转速与控制脉冲的频率成正比，有严格的对应运行转速与控制脉冲的频率成正比，有严格的对应关系，且在负载能力范围内不受电压波动、电流波形关系，且在负载能力范围内不受电压波动、电流波形及环境温度变化的影响。及环境温度变化的影响。2位移量取决于输入脉冲数，步距误差不会长期积累。位移量取决于输入脉冲数，步距误差

20、不会长期积累。在不失步的情况下，每转一周积累误差等于零。在不失步的情况下，每转一周积累误差等于零。3在脉冲数字信号控制下，具有灵活的控制性能，能在脉冲数字信号控制下，具有灵活的控制性能，能方便地实现起动、加速、减速、停止、反转、定位等方便地实现起动、加速、减速、停止、反转、定位等运行方式。运行方式。 24步进电动机工作原理步进电动机工作原理n步进电动机定子线圈依次通电，每次带齿的转子步进电动机定子线圈依次通电，每次带齿的转子在电磁力作用下，保持齿与定子通电的磁极对正，在电磁力作用下，保持齿与定子通电的磁极对正，只转过一个固定的角度。只转过一个固定的角度。n步进电动机由于输入脉冲和转动角度具有严

21、格的步进电动机由于输入脉冲和转动角度具有严格的线性对应关系，因此常被用作开环位置线性对应关系，因此常被用作开环位置/速度控制速度控制系统的执行器。系统的执行器。25步进电动机的参数与特性步进电动机的参数与特性1n步距角：步距角：大致有大致有0.36、0.75、0.9、1.5、2.25、3.0、7.5等等 n失调角：失调角：是指步进电动机未加直流电前，转子静止时转是指步进电动机未加直流电前，转子静止时转子中心线与偏离定子中心线的夹角子中心线与偏离定子中心线的夹角 。n静转矩：静转矩：是指在步进电动机转子静止时，给电动机绕组是指在步进电动机转子静止时，给电动机绕组通以直流电，由失调角的存在而产生的

22、电磁转矩通以直流电，由失调角的存在而产生的电磁转矩 n矩角特性矩角特性 ：指步进电动机的静转矩指步进电动机的静转矩Tj与失调角与失调角的关系的关系特性曲线特性曲线 。26步进电动机的参数与特性步进电动机的参数与特性2n最大静转矩最大静转矩 ：每相绕组通以额定相电流时，矩角特性曲每相绕组通以额定相电流时，矩角特性曲线上转矩所能达到的最大值线上转矩所能达到的最大值 Tjmax 。n运行频率运行频率 ：步进电动机起动以后，随着控制脉冲频率不步进电动机起动以后，随着控制脉冲频率不断上升，能不失步运行的最高频率称为运行频率断上升，能不失步运行的最高频率称为运行频率fyn步进电动机制造厂家在所给的技术数据

23、中一般没有电动步进电动机制造厂家在所给的技术数据中一般没有电动机额定功率这一指标，而用最大静转矩来衡量步进电动机额定功率这一指标，而用最大静转矩来衡量步进电动机的容量。机的容量。 p= Tjmax n矩频特性矩频特性 ：27步进电动机的控制系统及功率驱动电源步进电动机的控制系统及功率驱动电源 n对步进电动机的运行控制，如起动、停止、升速、降速、对步进电动机的运行控制，如起动、停止、升速、降速、正转、反转、定位等，要由步进电动机控制系统来实现。正转、反转、定位等，要由步进电动机控制系统来实现。控制部分通常由可编程逻辑电路或处理器组成。脉冲发生控制部分通常由可编程逻辑电路或处理器组成。脉冲发生器、

24、脉冲分配器等单元也归入控制部分。器、脉冲分配器等单元也归入控制部分。 n步进电动机的运行还需要靠功率驱动电源驱动，功率驱动步进电动机的运行还需要靠功率驱动电源驱动，功率驱动电源可按使用的电力电子元件类型，或按驱动控制方式分电源可按使用的电力电子元件类型，或按驱动控制方式分许多种类。功率驱动电源由前置放大器、功率放大器等组许多种类。功率驱动电源由前置放大器、功率放大器等组成。主要根据步进电动机的功率大小、相数多少、频率高成。主要根据步进电动机的功率大小、相数多少、频率高低等技术指标设计驱动电源。低等技术指标设计驱动电源。 28步进电动机的选用原则步进电动机的选用原则 n输出转矩的选择输出转矩的选

25、择 一般可根据最大静转矩和实际所需电动机工作频率范一般可根据最大静转矩和实际所需电动机工作频率范围大致估算电动机的输出转矩。围大致估算电动机的输出转矩。 大致可选择电动机输出转矩为最大静转矩大致可选择电动机输出转矩为最大静转矩Tjmax的的20%30%。 n步距角的选择步距角的选择 择时应根据系统的控制精度要求和运行速度要求来选择时应根据系统的控制精度要求和运行速度要求来选择合适的步距角。择合适的步距角。n起动频率与运行频率的选择起动频率与运行频率的选择 在选择步进电机时，应事先估算出带上负载后的步进在选择步进电机时，应事先估算出带上负载后的步进电动机的起动频率与运行频率。电动机的起动频率与运

26、行频率。 294.4直线电动机直线电动机n设想把旋转电动机自转设想把旋转电动机自转子轴至定子外圆周沿径子轴至定子外圆周沿径向向AA剖开，转子和剖开，转子和定子都展成直条状，就定子都展成直条状，就成了直线电动机。成了直线电动机。 按机械特性可分为按机械特性可分为 :推力型电动机推力型电动机 冲量型电动机冲量型电动机 功率型电动机功率型电动机 30直线电动机应用直线电动机应用n直线电机可替代的运动形式直线电机可替代的运动形式31直线电动机的分类直线电动机的分类n按机械特性可分为按机械特性可分为1) 推力型电动机：也称力电动机。这类作往复运动的推力型电动机：也称力电动机。这类作往复运动的直线电动机要

27、求起动推力很大。直线电动机要求起动推力很大。 2）冲量型电动机：也称能电动机。这类电动机的瞬时）冲量型电动机：也称能电动机。这类电动机的瞬时功率很大功率很大 3）功率型电动机：也称功电动机。长距离或长时连续）功率型电动机：也称功电动机。长距离或长时连续运行，要求功率因数高，主要用于以一定的速度拖动运行，要求功率因数高，主要用于以一定的速度拖动负载负载 n直线电动机的结构有平面型和管型两类，平面型直线电动机的结构有平面型和管型两类，平面型又分为单边型和双边型两种，管型有圆管型和方又分为单边型和双边型两种，管型有圆管型和方型两种。型两种。 32直线电动机的特点直线电动机的特点n优点：优点：1.可直

28、接产生直线运动，不需要运动转换，使机构简化，便于可直接产生直线运动，不需要运动转换，使机构简化，便于控制，系统可靠性提高。控制，系统可靠性提高。2.瞬时线速度很高时，零部件不受离心力的作用。瞬时线速度很高时，零部件不受离心力的作用。3.定子和动子之间的电磁推力可消除运行中的机械接触，因而定子和动子之间的电磁推力可消除运行中的机械接触，因而机械功率损耗和磨损可减到很小。机械功率损耗和磨损可减到很小。4.由于无机械接触，噪声较小。由于无机械接触，噪声较小。5.平面型直线电动机容易散热，容量大的直线电动机常不需要平面型直线电动机容易散热，容量大的直线电动机常不需要附加冷却装置。附加冷却装置。n缺点：

29、缺点：1.有所谓边端效应，因为磁路开断，铜损和漏抗压降大。有所谓边端效应，因为磁路开断，铜损和漏抗压降大。 2.因为气隙大，功率因数比同样容量的旋转电动机低。因为气隙大，功率因数比同样容量的旋转电动机低。 334.5电力电子器件电力电子器件n机电系统中，各种电气执行元件都需要一定的功机电系统中，各种电气执行元件都需要一定的功率器件来驱动或供电，这些器件统称为电力电子率器件来驱动或供电，这些器件统称为电力电子器件。变流器是实现电能的交器件。变流器是实现电能的交直、直直、直直、直、交交交、交交、交直直交变换的装置，它们被用来驱交变换的装置，它们被用来驱动电气执行元件。各种变流器的核心是电力电子动电气执行元件。各种变流器的核心是电力电子器件。器件。 34电力电子器件电力电子器件n概念：可直接用于处理电能的主电路中，实现电概念：可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。能变换或控制的电子器件。n在机电系统中的作用在机电系统中的作用: 对各种执行元件进行驱动对各种执行元件进行驱动和供电（实现电能多种交、直形式等级的变换）和供电（实现电能多种交、直形式等级的变换）n电力电子器件制造技术是电力电子的电力电子器件制造技术是电力电子的基础基础。n变流技术是电