電機(jī)學(xué)--清華大學(xué)ppt課件

第七章電動機(jī) 7 2直流電動機(jī)7 2 1概述7 2 2工作原理7 2 3電樞電動勢及電壓平衡關(guān)系7 2 4電磁轉(zhuǎn)矩7 2 5機(jī)械特性7 2 6直流電動機(jī)的調(diào)速7 2 7直流電動機(jī)的使用和額定值 7 3單相異步電動機(jī) 7 4步進(jìn)電機(jī) 7 2 1概述 與異步電動機(jī)相比 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便 而且要使用直流電源 7 2 2工作原理 一 工作原理 電刷 換向片 注意 換向片和電源固定聯(lián)接 線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動 總是上半邊的電流向里 下半邊的電流向外 電刷壓在換向片上 由左手定則 通電線圈在磁場的作用下 使線圈逆時針旋轉(zhuǎn) 由右手定則 線圈在磁場中旋轉(zhuǎn) 將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反 直流發(fā)電機(jī) 用右手定則判感應(yīng)電動勢Ea的方向 電樞繞組電阻Ra 感應(yīng)電動勢 輸出電壓 二 直流電機(jī)的構(gòu)成 直流電機(jī)由定子 轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成 機(jī)座 磁極 勵磁繞組 轉(zhuǎn)子 勵磁式直流電動機(jī)結(jié)構(gòu) 1 轉(zhuǎn)子 又稱電樞 由鐵芯 繞組 線圈 換向器組成 2 定子 定子的分類 勵磁的定義 磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通 稱為勵磁 根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系 勵磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為 他勵電動機(jī) 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開 并勵電動機(jī) 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上 串勵電動機(jī) 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上 復(fù)勵電動機(jī) 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并 接在同一電源上 7 2 3電樞電動勢及電壓平衡關(guān)系 電樞通入電流后 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 使電機(jī)在磁場中轉(zhuǎn)動起來 通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動 又會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 用E表示 一 電樞中的感應(yīng)電動勢 根據(jù)右手定則知 E和原通入的電流方向相反 其大小為 單位 韋伯 n 轉(zhuǎn) 每分 E 伏 二 電樞繞組中電壓的平衡關(guān)系 因?yàn)镋與通入的電流方向相反 所以叫反電勢 U 外加電壓Ra 繞組電阻 7 2 4電磁轉(zhuǎn)矩 一 電磁轉(zhuǎn)矩 單位 韋伯 Ia 安培 T 牛頓 米 由轉(zhuǎn)矩公式可知 1 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件 必須有勵磁磁通和電樞電流 2 改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向 改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向 二 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 在電機(jī)運(yùn)行時 必須和外加負(fù)載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡 即 轉(zhuǎn)矩平衡過程 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 發(fā)生變化時 通過電機(jī)轉(zhuǎn)速 電動勢 電樞電流的變化 電磁轉(zhuǎn)矩自動調(diào)整 以實(shí)現(xiàn)新的平衡 例 設(shè)外加電樞電壓U一定 T TL T0 平衡 這時 若TL突然增加 則調(diào)整過程為 與原平衡點(diǎn)相比 新的平衡點(diǎn) Ia P入 機(jī)械特性指的是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系 下邊以他勵和串勵電機(jī)為例說明 他勵電動機(jī)和并勵電動機(jī)的特性一樣 7 2 5機(jī)械特性 一 他勵電動機(jī)的機(jī)械特性 n0 理想空載轉(zhuǎn)速 即T 0時的轉(zhuǎn)速 實(shí)際工作時 由于有空載損耗 電機(jī)的T不會為0 當(dāng)T 時n 但由于他勵電動機(jī)的電樞電阻Ra很小 所以在負(fù)載變化時 轉(zhuǎn)速n的變化不大 屬硬機(jī)械特性 根據(jù)n T公式畫出特性曲線 串勵的特點(diǎn) 勵磁線圈的電流和電樞線圈的電流相同 二 串勵電動機(jī)的機(jī)械特性 設(shè)磁通和電流成正比 即 K Ia 則 據(jù)此公式做出T n曲線 1 T 0時 在理想情況下 n 但實(shí)際上負(fù)載轉(zhuǎn)矩不會為0 不會工作在T 0的狀態(tài) 但空載時T很小 n很高 串勵不允許空載運(yùn)行 以防轉(zhuǎn)速過高 串勵特性 2 隨轉(zhuǎn)矩的增大 n下降得很快 這種特性屬軟機(jī)械特性 2 恒功率負(fù)載 P一定時 T和n成反比 要選軟特性電機(jī)拖動 如 電氣機(jī)車等 直流電動機(jī)特性類型的選擇 1 恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械 TL一定 和轉(zhuǎn)速無關(guān) 要選硬特性的電動機(jī) 如 金屬加工 起重機(jī)械等 7 2 6直流電動機(jī)的調(diào)速 與異步電動機(jī)相比 直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 價格高 維護(hù)不方便 但它的最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好 下面以他勵電動機(jī)為例說明直流電動機(jī)的調(diào)速方法 1 調(diào)速均勻平滑 可以無級調(diào)速 2 調(diào)速范圍大 調(diào)速比可達(dá)200 他勵式 以上 調(diào)速比等于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比 直流電動機(jī)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是 由該式可知 n和 有關(guān) 在U一定的情況下 改變 可改變n 在勵磁回路中串上電阻Rf 改變Rf大小調(diào)節(jié)勵磁電流 從而改變 的大小 一 改變磁通 調(diào)磁 1 原理 其中 K If Rf If n 但在額定情況下 已接近飽和 If再加大 對 影響不大 所以這種增加磁通的辦法一般不用 Rf If n 減弱磁通是常用的調(diào)速方法 If的調(diào)節(jié)有兩種情況 概念 改變磁通調(diào)速的方法 減小磁通 n只能上調(diào) 2 特性的變化 調(diào)速過程 U一定 則 暫時T TL 1 調(diào)速平滑 可做到無級調(diào)速 但只能向上調(diào) 受機(jī)械本身強(qiáng)度所限 n不能太高 2 調(diào)的是勵磁電流 該電流比電樞電流小得多 調(diào)節(jié)控制方便 3 減小 調(diào)速的特點(diǎn) 二 改變電樞電壓調(diào)速 由轉(zhuǎn)速特性方程知 調(diào)電樞電壓U n0變化 斜率不變 所以調(diào)速特性是一組平行曲線 1 特性曲線 2 改變電樞電壓調(diào)速的特點(diǎn) 1 工作時電樞電壓一定 電壓調(diào)節(jié)時 不允許超過UN 而n U 所以調(diào)速只能向下調(diào) 2 可得到平滑 無級調(diào)速 3 調(diào)速幅度較大 Uf 110V固定 U 0 110V可調(diào) 改變電樞電壓調(diào)速方案舉例 例 已知他勵電動機(jī)的PN 2 2KW UN 220V IaN 12 4ARa 0 5 nN 1500r min 求 1 TL 0 5TN時 n 2 0 8 N時 n 解 1 TL 0 5TN時 2 0 8 N時 這種調(diào)速方法耗能較大 只用于小型直流機(jī) 串勵電機(jī)也可用類似的方法調(diào)速 三 改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速 在電樞中串入電阻 使 n n0不變 即電機(jī)的特性曲線變陡 斜率變大 在相同力矩下 n 7 2 7直流電動機(jī)的使用和額定值 限制Iast的措施 1 啟動時在電樞回路串電阻 2 啟動時降低電樞電壓 一 使用 1 啟動 啟動時 n 0 Ea 0 若加入額定電壓 則 Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花 燒壞換向器 一般Iast限制在 2 2 5 IaN內(nèi) 1 若電動機(jī)原本靜止 由于勵磁轉(zhuǎn)矩T KT Ia 而 0 電機(jī)將不能啟動 因此 反電動勢為零 電樞電流會很大 電樞繞組有被燒毀的危險 2 如果電動機(jī)在有載運(yùn)行時磁路突然斷開 則E Ia T和 可能不滿足TL的要求 電動機(jī)必將減速或停轉(zhuǎn) 使Ia更大 也很危險 措施 他勵直流電動機(jī)一定要有失磁保護(hù) 一般在勵磁繞組加失壓繼電器或欠流繼電器 當(dāng)失壓或欠流時 自動切斷電樞電源U 2 反轉(zhuǎn) 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由電磁力矩的方向確定 1 反接制動 3 制動 制動的所采用的方法 反接制動 能耗制動 發(fā)電回饋制動 電阻R的作用是限制電源反接制動時電樞的電流過大 2 能耗制動 電樞斷電后立即接入一個電阻 特殊情況下 例如汽車下坡時 吊車重物下降時 在重力的作用下n n0 n0理想空載轉(zhuǎn)速 這時電動機(jī)變成發(fā)電機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩 從而限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高 3 發(fā)電回饋制動 直流電機(jī)有四個出線端 電樞繞組 勵磁繞組各兩個 可通過標(biāo)出的字符和繞組電阻的大小區(qū)別 4 連接 1 繞組的阻值范圍 電樞繞組的阻值在零點(diǎn)幾歐姆到1 2歐姆 他勵 并勵電機(jī)的勵磁繞組的阻值有幾百歐姆 串勵電機(jī)的勵磁繞組的阻值與電樞繞組的相當(dāng) 2 繞組的符號 二 額定值 1 額定功率PN 電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率 2 額定電壓UN 額定工作情況下的電樞上加的直流電壓 例 110V 220V 440V 3 額定電流IN 額定電壓下 軸上輸出額定功率時的電流 并勵應(yīng)包括勵磁電流和電樞電流 三者關(guān)系 PN UNIN 效率 注意 調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機(jī) 最大轉(zhuǎn)速不能超過1 2nN 4 額定轉(zhuǎn)速nN 在PN UN IN時的轉(zhuǎn)速 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速等級一般在500r min以上 特殊的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以做到很低 如 每分鐘幾轉(zhuǎn) 或很高 每分鐘3000轉(zhuǎn)以上 7 3單相異步電動機(jī) 一 單相異步電動機(jī)的工作原理 結(jié)構(gòu) 定子放單相繞組 其中通220V單相交流電 轉(zhuǎn)子一般用鼠籠式 N S 當(dāng)定子繞組產(chǎn)生的合成磁場增加時 根據(jù)右手螺旋定則和左手定則 可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)條左 右受力大小相等方向相反 所以沒有起動轉(zhuǎn)矩 在電流正半周 轉(zhuǎn)子借助其它力量轉(zhuǎn)動后 外力去除后仍按原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動 其原理分析如下 定子繞組產(chǎn)生的脈動磁場 可用正 反兩個旋轉(zhuǎn)磁場合成而等效 即 脈動磁場的分解 正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性 合成轉(zhuǎn)矩 正向 反向 電容分相式起動 二 單相異步電動機(jī)的起動 接近90 電容分相式單相異步電動機(jī)起動原理 t t0 磁場逆時針方向旋轉(zhuǎn) t t0 t t1 啟動時開關(guān)K閉合 使兩繞組電流相位差約為90 從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 電機(jī)轉(zhuǎn)起來 轉(zhuǎn)動正常以后離心開關(guān)被甩開 啟動繞組被切斷 而電機(jī)仍按原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動 工作原理 罩極式單相電機(jī) 定子通入電流以后 部分磁通穿過短路環(huán) 并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流 短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化 致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差 從而形成旋轉(zhuǎn)磁場 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來 圖中電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向 順時針旋轉(zhuǎn) 因?yàn)闆]有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先 單相異步電動機(jī)的功率小 主要制成小型電機(jī) 它的應(yīng)用非常廣泛 如家用電器 洗衣機(jī) 電冰箱 電風(fēng)扇 電動工具 如手電鉆 醫(yī)用器械 自動化儀表等 三 單相電機(jī)的使用 三相異步電動機(jī)的單相運(yùn)行 三相異步電動機(jī)在運(yùn)行過程中 若其中一相和電源斷開 則變成單相運(yùn)行 此時和單相電機(jī)一樣 電機(jī)仍會按原來方向運(yùn)轉(zhuǎn) 但若負(fù)載不變 三相供電變?yōu)閱蜗喙╇?電流將變大 導(dǎo)致電機(jī)過熱 使用中要特別注意這種現(xiàn)象 三相異步電動機(jī)若在啟動前有一相斷電 和單相電機(jī)一樣將不能啟動 此時只能聽到嗡嗡聲 長時間啟動不了 也會過熱 必須趕快排除故障 第7章控制電機(jī) 概述 7 4步進(jìn)電動機(jī)7 4 1結(jié)構(gòu)7 4 2工作方式7 4 3小步距角的步進(jìn)電動機(jī) 7 5伺服電動機(jī)7 5 1交流伺服電動機(jī)7 5 2直流伺服電動機(jī) 前面介紹的異步電動機(jī) 直流電動機(jī)等都是作為動力使用的 其主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換 例如將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 本章介紹控制電機(jī) 概述 控制電機(jī)的種類很多 本章主要介紹步進(jìn)機(jī) 伺服機(jī) 對控制電機(jī)的主要要求 動作靈敏 準(zhǔn)確 重量輕 體積小 運(yùn)行可靠 耗電少等 7 4步進(jìn)電動機(jī) 機(jī)理 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理 將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī) 每來一個電脈沖 電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度 帶動機(jī)械移動一小段距離 特點(diǎn) 1 來一個脈沖 轉(zhuǎn)一個步距角 2 控制脈沖頻率 可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 3 改變脈沖順序 改變方向 種類 有勵磁式和反應(yīng)式兩種 兩種的區(qū)別在于勵磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈 應(yīng)用 步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛 如 在數(shù)控機(jī)床 自動繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 7 4 1結(jié)構(gòu) 步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成 定子和轉(zhuǎn)子 它們均由磁性材料構(gòu)成 其上分別有六個 四個磁極 定子 轉(zhuǎn)子 定子繞組 定子的六個磁極上有控制繞組 兩個相對的磁極組成一相 注意 這里的相和三相交流電中的 相 的概念不同 步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖 這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別 IA IB IC 7 4 2工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為 三相單三拍 三相單雙六拍 三相雙三拍等 一 三相單三拍 1 三相繞組聯(lián)接方式 Y型 3 工作過程 A相通電使轉(zhuǎn)子1 3齒和AA 對齊 同理 B相通電 轉(zhuǎn)子2 4齒和B相軸線對齊 相對A相通電位置轉(zhuǎn)30 C相通電再轉(zhuǎn)30 這種工作方式 因三相繞組中每次只有一相通電 而且 一個循環(huán)周期共包括三個脈沖 所以稱三相單三拍 三相單三拍的特點(diǎn) 1 每來一個電脈沖 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 此角稱為步距角 用 S表示 2 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序 改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向 二 三相單雙六拍 三相繞組的通電順序?yàn)?A AB B BC C CA A共六拍 工作過程 A相通電 轉(zhuǎn)子1 3齒和A相對齊 所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上 相對AA 通電 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15 1 BB 磁場對2 4齒有磁拉力 該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動 A B相同時通電 2 AA 磁場繼續(xù)對1 3齒有拉力 總之 每個循環(huán)周期 有六種通電狀態(tài) 所以稱為三相六拍 步距角為15 B相通電 轉(zhuǎn)子2 4齒和B相對齊 又轉(zhuǎn)了15 三 三相雙三拍 三相繞組的通電順序?yàn)?AB BC CA AB共三拍 工作方式為三相雙三拍時 每通入一個電脈沖 轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30 即 S 30 7 4 3小步距角的步進(jìn)電動機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和1 5度 步距角越小 機(jī)加工的精度越高 為產(chǎn)生小步距角 定 轉(zhuǎn)子都做成多齒的 圖中轉(zhuǎn)子40個齒 定子仍是6個磁極 但每個磁極上也有五個齒 轉(zhuǎn)子的齒距等于360 40 9 齒寬 齒槽各4 5 為使轉(zhuǎn) 定子的齒對齊 定子磁極上的小齒 齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同 工作原理 假設(shè)是單三拍通電工作方式 1 A相通電時 定子A相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊 此時 B相和A相空間差120 含120 9 齒A相和C相差240 含240 9 個齒 所以 A相的轉(zhuǎn)子 定子的五個小齒對齊時 B相 C相不能對齊 B相的轉(zhuǎn)子 定子相差1 3個齒 3 C相的轉(zhuǎn)子 定子相差2 3個齒 6 若工作方式改為三相六拍 則每通一個電脈沖 轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)1 5 異步機(jī)的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定 同理 C相通電再轉(zhuǎn)3 2 A相斷電 B相通電后 轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1 3個齒 3 使B相轉(zhuǎn)子 定子對齊 步進(jìn)機(jī)通過一個電脈沖 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度 稱為步距角 7 5伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)的作用是驅(qū)動控制對象 被控對象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制 信號電壓的大小和極性改變時 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度和方向也跟著變化 伺服電動機(jī)的作用 7 5 1交流伺服電動機(jī) 原理與兩相交流異步電機(jī)相同 定子上裝有兩個繞組 勵磁繞組和控制繞組 勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90 勵磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場 接線 勵磁繞組的接線 適當(dāng)選擇電容的大小 可使通入兩個繞組的電流相位差接近90 因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下 轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來 例 選擇電容 可使交流伺服電機(jī)電路中的電壓電流的相量關(guān)系如圖所示 工作時兩個繞組中產(chǎn)生的電流和的相位差近90 因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來 控制電壓與電源電壓兩者頻率相同 相位相同或反相 1 U2 0時 轉(zhuǎn)子停止 這時 雖然U2 0V U1仍存在 似乎成單相運(yùn)行狀態(tài) 但和單