電機拖動-第9章控制電機

大連理工大學電氣工程系第

9

章控制電機9.2直流力矩電動機9.3步進電動機9.4測速發(fā)電機9.5自整角機9.6旋轉變壓器*9.7感應同步器9.1伺服電動機第

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章控制電機9.2直流力矩電動機9.3步進電動機9.4測速發(fā)電機9.5自整角機9.6旋轉變壓器*9.7感應同步器9.1伺服電動機電機與拖動返回主頁大連理工大學電氣工程系9.1伺服電動機

伺服電動機——執(zhí)行電動機。

功能將電壓信號轉換成轉角或轉速信號。

種類直流伺服電動機、交流伺服電動機。1.直流伺服電動機2.交流伺服電動機第9章控制電機大連理工大學電氣工程系一、直流伺服電動機1.基本結構與普通小型直流電動機相同。

勵磁方式電磁式：永磁式：+Ua－電磁式9.1伺服電動機If+Uf－

他勵式、并勵式、串勵式。稀土永磁材料+Ua－永磁式（如稀土鈷、稀土釹鐵硼）。SMIaEESMIa大連理工大學電氣工程系2.工作原理施加Ua→Ia主磁通：ΦT→n→E電磁轉矩：

T

=CTΦ

Ia

電動勢：

E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：

Ua

=E+Ra

Ian=UaCEΦ－RaCECTΦ2T9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系3.控制方式及其特性(1)電樞控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機械特性9.1伺服電動機T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性OUcn大連理工大學電氣工程系(2)磁場控制式Ua

=UaN，

Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計電樞反應，則

Φ=CΦ

Uf=CΦ

Ucn=UaNCECΦUc

－RaCECT

CΦ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機械特性

控制特性非線性。直流伺服電動機的功率

1~600W。9.1伺服電動機OTn大連理工大學電氣工程系1.基本結構(1)定子(2)轉子二、交流伺服電動機空心杯形轉子交流伺服電動機的結構示意圖9.1伺服電動機轉子內定子外定子繞組轉軸大連理工大學電氣工程系(1)當兩相繞組分別加上相位相差90o的額定電壓時。

對稱兩相運行→

ic

和if產生圓形旋轉磁場→產生T→轉子旋轉。如果uc

反相，即改變ic

和if

的相序→旋轉磁場改變方向→n的方向改變。同時減小uc

和uf

而保持其

90o的相位差→圓形磁通勢的幅值→

T→n

。2.工作原理SM~

控制繞組

勵磁繞組＋Uc－＋Uf

－9.1伺服電動機cfIcIf大連理工大學電氣工程系(2)

當uc=0或uc≠0，但uc和uf同相位時。電動機處在單相狀態(tài)→脈振磁通勢F0

。靜止時：n=0，F0FFFR→TF→TRT=TF－TRTF

=TR，T

=0，不能起動；正在運行時：T≠0，轉子繼續(xù)旋轉——單相自轉！TOnn=f(TF)n=f(TR)n=f(T)普通異步電動機nTOR2

n=f(TF)n=f(TR)n=f(T)交流伺服電動機9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系(3)Uf=UN，Uc＜UN且保持相位差為90o時，或者Uf=Uc=UN但兩者的相位差小于90o時。

電動機處在不對稱運行狀態(tài)，將產生一個橢圓形旋轉磁通勢。9.1伺服電動機SM~＋Uc－＋Uf

－cfFcFfIcIf

橢圓形旋轉磁通勢的產生

橢圓形旋轉磁通勢的分解大連理工大學電氣工程系

橢圓形旋轉磁通勢的產生(uc

和uf

大小不相等時)OFωtFfFfmFcmFcF=Fc45oFcFfF90oF=Ff135oFcFfF180oF=Fc225oFcFfF270oF=Ff315oFcFfF360oF=Fc9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系OFωtFfFfmFcmFc45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的產生(uc

和uf

大小不相等時)ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o大連理工大學電氣工程系ωt=0o45o90o135o180o225o270o315o360o9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的產生(uc

和uf

大小不相等時)大連理工大學電氣工程系OFωtFfFfmFcmFcωt=0o45o90o135o180o225o270o315o9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的產生(uc

和uf

大小不相等時)大連理工大學電氣工程系FfFfm=FcmFcOFωtF=Fc/2FcFfF90oFfFcF90o

+2FfFcF180oF=Fc180o

+2FcFfF270oFfFcF270o

+2FfFcF360oF=Fc9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的產生(

＜90o時)大連理工大學電氣工程系FfFfm=FcmFcOFωt/290o90o

+2180o180o

+2270o270o

+2360o90o290o

+2180o180o

+2270o2270o

+ωt=0o360o9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的產生(

＜90o時)大連理工大學電氣工程系9.1伺服電動機90o290o

+2180o180o

+2270o2270o

+ωt=0o360o大連理工大學電氣工程系FfFfm=FcmFcOFωt

橢圓形旋轉磁通勢的產生(

＜90o時)ωt=0o90o2180o270o90o

+2180o

+2270o

+29.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系

橢圓形旋轉磁通勢的分解FRFFF9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系FRFFF9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的分解大連理工大學電氣工程系FRFFF

結論：①一個橢圓形旋轉磁通勢

F可以分解為兩個不等幅、等速的相向旋轉的圓形磁通勢FF和FR

。FFFFR→TF→TRT=TF－TR9.1伺服電動機

橢圓形旋轉磁通勢的分解大連理工大學電氣工程系②工作狀態(tài)越不對稱，FF和FR相差越小，橢圓形越扁長，T越小，n越低。例如保持

=90o和Uf不變，改變Uc的大小Uc

由0UfFF增強FR減弱0＜n＜nmax橢圓形旋轉磁場兩個旋轉磁場（脈振磁場）一個旋轉磁場③如果改變uc的相位，則F

的旋轉方向改變，使T反向，從而改變

n的方向。9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系(1)兩相控制保持

=90o和Uc=Uf

，同時改變Uc和Uf

的大小（始終為對稱運行）。(2)

幅值控制

保持

=90o和Uf=UN，改變Uc的大小。(3)

相位控制

保持Uc=Uf

=UN

，改變的大小。(4)

幅相控制

同時改變uc的大小和相位?！?/p>

交流伺服電動機的功率和頻率：

0.1~100W，50Hz、400Hz等。3.控制方式9.1伺服電動機大連理工大學電氣工程系交流伺服電動機9.1伺服電動機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系交流伺服電動機9.1伺服電動機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系9.2直流力矩電動機（MT）

一種特殊類型的伺服電動機。主要特點能長期處于堵轉狀態(tài)下工作。低轉速、高轉矩。反應速度快、機械特性線性度好、低速穩(wěn)定性好。用途用于對位置、速度的控制精度要求較高的系統。1.基本結構2.工作原理第9章控制電機大連理工大學電氣工程系一、基本結構NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS刷架環(huán)轉子繞組電刷

結構特點扁平形，帶槽的定子圓盤中嵌入永磁體。有分裝式和內裝式兩種結構形式。直流力矩電動機的結構式意圖轉子鐵心9.2直流力矩電動機定子大連理工大學電氣工程系直流力矩電動機9.2直流力矩電動機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系1.長期堵轉運行時，要求溫度≤max。與max

對應的Iamax

稱為連續(xù)堵轉電流

Ib。與Ib對應的有：連續(xù)堵轉轉矩Tb、連續(xù)堵轉電壓Ub、連續(xù)堵轉功率Pb。

Pb=UbIb，二、工作原理Ib=（Ra為電樞電阻）Ub

Ra2.

受定子永磁體去磁條件限制的參數峰值堵轉電流

IP、峰值堵轉轉矩Tb、峰值堵轉電壓UP、峰值堵轉功率PP。

PP=UPIP，IP=（Ra為電樞電阻）UP

Ra9.2直流力矩電動機大連理工大學電氣工程系9.3步進電動機

功能將電脈沖信號轉換成轉角或轉速信號。轉角θ∝脈沖信號的個數；轉速n∝脈沖信號的頻率。用途高精度的角度控制。分類按定子相數不同：三相、四相、五相、六相等；按轉子材料不同：永磁式、磁阻式（反應式）。1.基本結構2.工作原理第9章控制電機與電源、負載、環(huán)境等因素無關大連理工大學電氣工程系14231.定子2.轉子一、基本結構U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進電動機原理圖9.3步進電機大連理工大學電氣工程系

步進電動機的典型結構9.3步進電機U2U1W2W1V1V2大連理工大學電氣工程系二、工作原理

一拍從一次通電到另一次通電。步距角每一拍轉子轉過的角度。(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）(3)m相單－雙2m拍運行（三相單－雙六拍運行）9.3步進電機大連理工大學電氣工程系1423142314231423U1U2V1V2W2W11.m相單m拍運行（三相單三拍運行）

通電順序：U相→V相→W

相→U相。①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電9.3步進電機14231423一步兩步三步※

步距角：θ=30°大連理工大學電氣工程系2.m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電1423※

步距角：θ=30°9.3步進電機14231423大連理工大學電氣工程系3.m相單－雙2m拍運行(三相單－雙六拍運行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°9.3步進電機大連理工大學電氣工程系

步距角θ=360°zNz

：轉子齒數N：拍數

轉速一個θ→轉(1/

zN

)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(f

/

zN

)圈。n=60fzN例如：三相步進電動機z=40，則①采用單/雙三拍時：②采用三相六拍時：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°9.3步進電機大連理工大學電氣工程系

步進電動機的參數脈沖放大器步進電動機脈沖分配器脈沖輸入負載驅動電源

最大靜轉矩、起動頻率、運行頻率。步進電動機的控制方式9.3步進電機大連理工大學電氣工程系步進電動機9.3步進電機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系步進電動機9.3步進電機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系步進電動機PK系列：

5相為0.72°步距角的大轉矩、低振動步進電動機。

2相為0.9°~1.8°步距角的大轉矩、低振動步進電動機。9.3步進電機5相步進電動機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系9.4測速發(fā)電機（TG）

功能將轉速信號轉換成與之成正比的電壓信號。用途校正元件、計算元件。

種類1.直流測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機第9章控制電機大連理工大學電氣工程系一、直流測速發(fā)電機1.基本結構與普通小型直流發(fā)電機相同。勵磁方式：電磁式（他勵）和永磁式。＋Uf－If電磁式9.4測速發(fā)電機永磁式2.工作原理空載時：U=E

=CEΦ

n負載時：U=E

－Ra

ITGRLI＋

U－ETGRLEI＋

U－大連理工大學電氣工程系U=CEΦ

n－RaURLU=nCEΦ

1+RaRLU∝

nRL→∞

RL2

RL1UnORL2＞RL1

產生誤差的原因①電樞反應。②環(huán)境溫度的變化，引起各繞組的電阻值變化。③負載變化，引起電刷與換向器接觸電阻的變化。9.4測速發(fā)電機大連理工大學電氣工程系二、交流測速發(fā)電機1.基本結構定子：轉子：2.工作原理定子鐵心上有兩相對稱繞組?；\型、杯型。輸出繞組勵磁繞組－Uf＋IfΦd正弦交流uf→if→Φd

Φd=Φdm

sinωt(1)

轉子靜止時勵磁繞組→一次繞組轉子繞組→二次繞組××··Ed→Ef→Ed→Id9.4測速發(fā)電機Ef大連理工大學電氣工程系IfId→Ff→Fd→Φd××··－Uf＋IfΦdEd忽略勵磁繞組的漏阻抗，則Uf=－Ef=

j

4.44fkwfNfΦdm輸出繞組：與Φd

無交鏈，不會產生E0。即：n=0時，U0

=0。＋

U0－Ed=－j

4.44fkwrNrΦdm9.4測速發(fā)電機Ef大連理工大學電氣工程系－Uf＋IfΦdEd(2)轉子旋轉時Φd交變感應旋轉切割

Ed→Id

Eq→IqEq·×××··→ΦqΦq

eq=

C1Φd

n=

C1n

Φdm

sinωtΦq

=C2eq=

C1C2n

Φdm

sinωt=

Φqm

sinωtC1、C2——電機常數。Φqm

=

C1C2n

Φdm9.4測速發(fā)電機＋

U0－Ef大連理工大學電氣工程系輸出繞組：U0=－E0=j4.44fkw0N0Φqm=j4.44fkw0

N0C1C2n

Φdm

=C1C2n

Uf

kw0

N0KwfNfΦq→E0→U0輸出空載電壓：－Uf＋IfΦd＋

U0－Eq·×××··Φq

結論：①U0

∝n。②

u0與uf

同頻率、同相位。9.4測速發(fā)電機EdEfE0大連理工大學電氣工程系測速發(fā)電機9.4測速發(fā)電機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系9.5自整角機（BS）

功能將轉角信號轉換成電壓信號，或反之。通過兩個或兩個以上的組合，以實現轉角的傳輸、轉換和接收。同步聯接系統無機械聯接的兩個系統同步轉動。

種類①按作用的不同：力矩式、控制式。②按相數的不同：單相、三相。

結構定子、轉子。第9章控制電機大連理工大學電氣工程系自整角機的結構示意圖轉子鐵心單相繞組定子鐵心三相繞組電刷9.5自整角機※單相：定子為三相繞組、轉子為單相繞組?！啵憾ㄗ印⑥D子均為三相繞組。大連理工大學電氣工程系自整角機的結構圖9.5自整角機后端蓋前球軸承集電環(huán)端部電刷

集流環(huán)端部觸點電刷定子外殼轉軸前端蓋定子繞組轉子繞組減震器輪罩殼大連理工大學電氣工程系一、力矩式自整角機UVWUVWa發(fā)送機b接收機~ΦΦ1.轉子處在協調位置時

縱向脈振Φ

→EUa=EUb，EVa=EVb，EWa=EWb;IUIVIWIU=IV=

IW=0

→T

=0，轉子靜止。定同子步繞組9.5自整角機EUbEVbEWbEUaEVaEWa大連理工大學電氣工程系2.轉子處在非協調位置時Φ

→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

Φ→T

≠

0，9.5自整角機ΦUVWUVWa發(fā)送機b接收機~IUIVIWΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb大連理工大學電氣工程系2.轉子處在非協調位置時Φ→EUa≠EUb，EVa≠EVb，EWa≠EWb;IU、IV、IW≠0

→T

≠

0，接收機轉子旋轉角。Φ重新達到協調位置，使IU=IV=

IW=0，

T

=0。9.5自整角機ΦUVWUVWa發(fā)送機b接收機~IUIVIWΦEUaEVaEWaEUbEVbEWb大連理工大學電氣工程系二、控制式自整角機UVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器ΦΦ'IUIVIW＋Uf－＋U0－1轉子處在協調位置時

Φ→EU、EV、EW

不同大小同相位，則IU、IV、IW不同大小同相位→產生縱向脈振磁場Φ'→與輸出繞組不交鏈→U0=0。9.5自整角機EUaEVaEWa大連理工大學電氣工程系＋Uf－2.轉子處在非協調位置時9.5自整角機＋Uf－ΦΦ'Φ→EU、EV、EW→IU、IV、IW→Φ'→Φ'與輸出繞組交鏈→產生E0∝sin。即U0∝sin。Φ'與輸出繞組交鏈的分量EUaEVaEWaUVWa控制式發(fā)送機UVWb自整角變壓器＋U0－IUIVIWE0大連理工大學電氣工程系U1U2V1V2W1W2ΦU1U2V1V2W1W2(a)勵磁繞組在垂直位置時Φ9.5自整角機

自整角機中的脈振磁場(b)勵磁繞組轉過角時大連理工大學電氣工程系自整角機9.5自整角機

更多的圖片A型發(fā)送器M型指示器115V，60Hz單相交流輸入大連理工大學電氣工程系自整角機9.5自整角機

更多的圖片大連理工大學電氣工程系9.6旋轉變壓器（BR）

功能將轉子轉角變換成與之有函數關系的電壓信號。結構相當于一臺兩相繞線型異步電動機。定、轉子鐵心上都有兩個結構相同而互相垂直的繞組。種類計算用和數據傳輸用旋轉變壓器。1.正余弦旋轉變壓器2.線性旋轉變壓器*3.比例式旋轉變壓器*4.數據傳輸用旋轉變壓器第9章控制電機大連理工大學電氣工程系一、正余弦旋轉變壓器

將轉子轉角變換成與之成正余弦函數關系的電壓信號。

定子

D1D2：勵磁繞組。

D3D4

：補償繞組。

轉子

Z1Z2：余弦輸出繞組。

Z3Z4：正弦輸出繞組。D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4基準位置（初始位置）9.6旋轉變壓器大連理工大學電氣工程系1.空載運行D1D2D3D4Z1Z2Z3Z4＋Uf－＋Ucos－＋Usin－轉子處在基準位置時ID12Uf

→ID12→FDd→Φd

轉子處在基準位置時在D1D2中：Φd

→ED

在Z1Z2中：Φd

→EZ

ED

=

4.44fkw1N1ΦdmEZ

=

4.44fkw2N2Φdm

Uf=ED（忽略漏阻抗）

Ucos=EZ=kED

=kUf

Usin=0k==EZEDkw2N2kw1N19.6旋轉變壓器大連理工大學電氣工程系

轉子偏離基準位置角時轉子偏離基準位置角Z1Z2Z3Z4＋Ucos－＋Usin－D1D2D3D4＋Uf－ID12ΦZ12=Φdcos

ΦZ34=ΦdsinEZ12=EZcos=kEDcos=kUfcosEZ34=EZsin=kEDsin=kUfsin空載輸出電壓：

Ucos=kUfcosUsin=kUfsin9.6旋轉變壓器Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－dZ34Z12大連理工大學電氣工程系

設Z1Z2接負載2.負載運行D1D2D3D4＋Uf－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－ZL

EZ12→IZ12→FZ12FZd

(縱向)FZq

(橫向)FZqFZdFZ12FZd

=FZ12cosFZq=FZ12sinFDd

(定子)FZd

(轉子)ΦdFZq→ΦZq→EZ12、EZ34''EZ12=kUfcos＋EZ12''EZ34=kUfsin＋EZ34IZ12∝cos∝sin9.6旋轉變壓器大連理工大學電氣工程系

補償方式(1)定子邊補償(2)轉子邊補償(3)定轉子邊同時補償D1D2D3D4＋Uf－ID12Z1Z3Z4Z2＋Ucos－＋Usin－將定子繞組D3D4短路。ZC將Z3Z4接ZC。FZqFZdFZ12FZqFZdFZ34''ZLIZ12IZ34若ZC=ZL，ΦZq

=0。9.6旋轉變壓器大連理工大學電氣工程系二、線性旋轉變壓器

功能在一定的轉角范圍內，輸出電壓與轉子轉角成正比。結構與正弦、余弦旋轉變壓器相同。一般的正、余弦旋轉變壓器

UZ34=EZsinθ當θ很小時：UZ34≈EZθ例如：

θ=14o=0.244346radsin14o=0.241922θ=5o=0.087266radsin5o=0.0871569.6旋轉變壓器大連理工大學電氣工程系D1D2D3D4Z3Z1Z4Z2＋Uf－

＋U0

－ZL因為定子邊補償，所以認為Φq

=0Φd→ED12、EZ12、EZ34三個E大小不同、相位相同。忽略漏阻抗，則

Uf=ED12＋EZ12=ED＋EZ