《电机与电气控制应用技术》课件项目四 控制电机的应用

项目四控制电机的应用课题一伺服电动机的应用课题二步进电动机的应用课题一伺服电动机的应用

学习目标•了解伺服电动机的结构、特点和用途;•了解伺服电动机的基本工作原理;•了解伺服电动机的控制方式。控制电机是在普通旋转电机基础上产生的具有特殊功能的小型旋转电机。控制电机在控制系统中作为执行元件、检测元件和运算元件。从工作原理上看,控制电机和普通电机没有本质上的差异,但普通电机功率大,侧重于电机的起动、运行和制动等方面的性能指标,而控制电机输出功率较小,侧重于电机控制的精度和响应速度。伺服电动机的作用是将输入的电压信号(即控制电压)转换成轴上的角位移或角速度输出,在自动控制系统中常作为执行元件,所以伺服电动机又称为执行电动机,其最大特点是:有控制电压时转子立即旋转,无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电动机分为直流和交流两大类。项目四控制电机的应用一、交流伺服电动机1.基本结构交流伺服电动机的结构同一般异步电动机相似,主要可分为两大部分,即定子部分和转子部分。定子绕组是两相的,一相为励磁绕组f,一相为控制绕组c。通常控制相分成两个独立且相同的部分,它们可以串联或并联,供选择两种控制电压用。励磁绕组与控制绕组在空间相差90°电角度,其外形结构如图4-1所示。交流伺服电动机就是两相异步电动机。项目四控制电机的应用

(1)高电导率导条的笼型转子。它的结构与普通笼型异步电动机类似,但是为了减小转子的转动惯量,转子做得细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材料(如黄铜、青铜等)制造,也可采用铸铝转子。图4-1交流伺服电动机原理图交流伺服电动机的转子通常采用以下两种结构形式:项目四控制电机的应用(2)非磁性空心杯型转子。非磁性空心杯型转子交流伺服电动机的结构如图4-2所示。定子部分由外定子和内定子两部分组成。外定子铁心槽中放置空间相距90°电角度的两绕组,内定子铁心中不放绕组,仅作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上,空心转子做成杯子形状,所以又称为空心杯型转子。图4-2非磁性空心杯型转子项目四控制电机的应用非磁性空心杯型转子的主要特点是将铝或铜制成空心薄壁结构。与笼型转子相比较,非磁性空心杯型转子的优点是转子惯性小,运转平滑,无抖动现象,始动电压低;缺点是内、外定子间气隙较大,励磁电流大,利用率低,体积大,制造成本高。笼型转子伺服电动机的优点较多,目前被广泛应用。只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如积分电路等)才采用非磁性空心杯型转子伺服电动机。项目四控制电机的应用2.工作原理交流伺服电动机实际上是一种两相异步电动机。在没有控制电压时,气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子上没有起动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流相位不相同时,则在气隙中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旋转。但是对交流伺服电动机的要求不仅是在有控制电压时能起动,而且在电压消失后能立即停转。如果交流伺服电动机在控制电压消失后仍像一般单相异步电动机那样继续转动,则出现失控现象,这种因失控而自行旋转的现象称为自转。项目四控制电机的应用

项目四控制电机的应用由图中可看出,合成转矩的方向与交流伺服电动机旋转方向相反,是一个制动转矩,这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时,交流伺服电动机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后,不仅可以消除自转,还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。图4-3交流伺服电动机单相运行时的机械特性项目四控制电机的应用3.控制方法交流伺服电动机不仅需要控制它的起动与停止,而且还需控制它的转速和转向。可采用下列三种方法来控制交流伺服电动机的转速高低及旋转方向:(1)幅值控制:保持控制电压与励磁电压间的相位差不变,仅改变控制电压的幅值。(2)相位控制:保持控制电压的幅值不变,仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。(3)幅相控制:同时改变控制电压的幅值和相位。交流伺服电动机运行平稳,噪音小,但控制特性为非线性并且因转子电阻大而导致损耗大,效率低。与同容量直流伺服电动机相比其体积大,质量大,所以只适用于0.5~100W的小功率自动控制系统中。项目四控制电机的应用二、直流伺服电动机1.基本结构直流伺服电动机的基本结构与普通他励直流电动机相同,所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小,换向不困难,因此不用装换向磁极,并且转子做得细长,气隙较小,磁路不饱和,电枢电阻较大。直流伺服电动机按励磁方式不同,可分为电磁式和永磁式两种。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生,一般用他励式;永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生,无需励磁绕组和励磁电流,可减小体积和损耗。为了适应不同系统的需要,对电动机的结构做了许多改进,又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯型电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。项目四控制电机的应用2.工作原理传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同,依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩,使直流伺服电动机转动。直流伺服电动机通常采用电枢控制方式,即在保持励磁电压不变的条件下,通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小,则转速越低;电枢电压为零时,直流伺服电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零,直流伺服电动机不产生电磁转矩,不会出现“自转”。直流伺服电动机在电枢控制方式运行时,特性的线性度好,调速范围大,效率高,起动转矩大,具有比较好的伺服性能。其缺点是电枢电流大,所需控制功率大,电刷和换向器维护工作量大,接触电阻不够稳定,对低速运行的稳定性有一定的影响。项目四控制电机的应用课题二步进电动机的应用学习目标•了解步进电动机的结构、特点和用途;•了解步进电动机的基本工作原理。步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机,在自动控制系统中作执行元件。给步进电动机输入一个电脉冲信号时,它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的,因此称其为步进电动机。步进电动机的精度高、惯性小,不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的固定关系,其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、计算机外围设备等控制系统中。项目四控制电机的应用一、步进电动机的分类步进电动机的种类很多,主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组,依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极,依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛,它有两相、三相、多相之分,也有单段、多段之分。项目四控制电机的应用二、单段式三相反应式步进电动机1.基本结构

下图所示为单段三相反应式步进电动机的结构示意图。其定子、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构,定子、转子磁极上均有小齿,定子、转子的齿数相等。定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组,每两个相对的磁极为一相,转子上没有绕组。项目四控制电机的应用图4-4三相反应式步进电动机的结构示意图2.工作原理图4-5单段三相反应式步进电动机的工作原理项目四控制电机的应用现以U→V→W→U的通电顺序,使三相绕组轮流通入直流电流,观察转子的运动情况。当U相绕组通电时,气隙中生成以U-U为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下,转子转到使1、3两转子齿与磁极U-U对齐的位置上。如果U相绕组不断电,1、3两转子齿就一直被磁极U-U吸引住而不改变其位置,即转子具有自锁能力。

项目四控制电机的应用

项目四控制电机的应用可见,以U→V→W→U的通电顺序使三个控制绕组不断地轮流通电时,步进电动机的转子就会沿UVW的方向一步一步地转动。改变控制绕组的通电顺序,如改为U→W→V→U的通电顺序,则转子转向相反。以上通电方式中,通电状态循环一周需要改变三次,每次只有单独一相控制绕组通电,称之为三相单三拍运行方式。由于单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动——振荡,会使运行不稳定,因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。项目四控制电机的应用除此之外,还有三相双三拍运行方式和三相六拍运行方式。三相双三拍运行方式的每个通电状态都有两相控制绕组同时通电,通电状态切换时总有一相绕组不断电,不会产生振荡。图4-6是通电顺序为UV→VW→WU→UV的三相双三拍运行方式示意图。U、V两相通电时,两磁场的合成磁场轴线与未通电的W-W相绕组轴线重合,转子在磁阻转矩的作用下,转动到使转子齿2、3之间的槽