電機與拖動基礎(chǔ)12章課件

第12章

微控電機微控電機由驅(qū)動微電機和控制電機構(gòu)成，簡稱為微控電機。普通旋轉(zhuǎn)電機主要是進行能量變換，要求有較高的力能指標；而控制電機主要是對控制信號進行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應(yīng)快、精度高、運行可靠等等。控制電機因其各種特殊的控制性能而常在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件。1.驅(qū)動微電機：用來拖動各種小型負載，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，因此外形尺寸較小，相應(yīng)的功率也小，本章主要介紹單相異步電動機，微型同步電動機。2.控制電機：在自動控制系統(tǒng)中對信號進行傳遞和變換，用做執(zhí)行元件或信號元件，要求有較高的控制性能，如：反應(yīng)快,精度高,運行可靠等等。主要介紹伺服電動機，步進電動機。12.1.1一相定子繞組的機械特性一相定子繞組產(chǎn)生的脈動磁通勢F，可用正、反兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢合成而等效。正轉(zhuǎn)磁通勢F+產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為T+，反轉(zhuǎn)磁通勢F-產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為T-。合成電磁轉(zhuǎn)矩T。Tnsn1-n1T+=f(s)T-=f(s)01）n=0，T=0，電機不能啟動。2）n>0，T>0，在第Ⅰ象限，拖動性轉(zhuǎn)矩。在電機正轉(zhuǎn)時，能繼續(xù)保持正轉(zhuǎn)。n<0，T<0，在第Ⅲ象限，仍為拖動性轉(zhuǎn)矩。電機反轉(zhuǎn)時也能繼續(xù)保持反轉(zhuǎn)。單相異步電動機可以運行，不能啟動。T=f(s)12.1.2兩相定子繞組的機械特性當主繞組預(yù)副繞組同時通入不同相位的兩相交流電流時，一般產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢。F+F-。合成電磁轉(zhuǎn)矩為T。T+=f(s)Tnn1-n1T-=f(s)0T=f(s)當n=0，T>0，電動機能啟動。若兩個繞組相位差90o，且磁通勢相等，合成磁通勢就為圓形磁通勢，機械特性與三相異步電動機的一樣。啟動轉(zhuǎn)矩也比橢圓磁通勢的大。單相異步電動機啟動的必要條件：定子具有空間不同相位的兩個繞組；兩相繞組通入不同相位的電流。把工作繞組與啟動繞組的電流相位分開稱之為“分相”。12.1.3單相異步電動機的分類1.單相電阻分相起動異步電動機定子上嵌放兩個繞組，兩個繞組接在同一單相電源上，副繞組中串一個離心開關(guān)。開關(guān)作用是當轉(zhuǎn)速上升到80%的同步轉(zhuǎn)速時，斷開副繞組使電動機運行在只有主繞組工作。

1)副繞組中串入適當電阻；2)副繞組采用的導(dǎo)線比主繞組截面細，匝數(shù)比主繞組少。這樣兩相繞組阻抗就不同，促使通入兩相繞組的電流相位不同，達到啟動目的。為了使起動時產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，通?？扇煞N方法：2.單相電容分相啟動異步電動機當副繞組中串聯(lián)一個電容器和一個開關(guān)時，如果電容器容量選擇適當，則可以在起動時通過副繞組的電流在時間和相位上超前主繞組電流90°電角，這樣在起動時就可以得到一個接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而有較大起動轉(zhuǎn)矩。電動機起動后轉(zhuǎn)速達到75%～85%同步轉(zhuǎn)速時副繞組通過開關(guān)自動斷開，主繞組進入單獨穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機實際上是一臺兩相異步電動機，其定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁場較接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。因此，其運行性能較好，功率因數(shù)、過載能力比普通單相分相式異步電動機好。電容器容量選擇較重要，對起動性能和影響較大。如果電容量大，則起動轉(zhuǎn)矩大，而運行性能下降。反之，則起動轉(zhuǎn)矩小，運行性能好。綜合以上因素，為了保證有較好運行性能，單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機的電容比同功率單相電容分相起動異步電動機電容容量要小。啟動性能不如單相電容啟動異步電動機。4.單相電容啟動及運轉(zhuǎn)異步電動機采用將兩個電容并聯(lián)后再與副繞組串聯(lián)的接線方式，這種電動機稱為單相電容起動和運轉(zhuǎn)電動機。啟動電容器Cs容量較大，C為運轉(zhuǎn)電容，電容量較小。啟動時Cs和C并聯(lián)，總電容器容量大，所以有較大的起動轉(zhuǎn)矩。啟動后，Cs切除，只有C運行，因此電動機有較好運行性能。對電容分相式異步電動機，如果要改變電動機轉(zhuǎn)向，只要使主繞組或副繞組的接線端對調(diào)即可，對調(diào)接線端后旋轉(zhuǎn)磁場方向改變，因而電動機轉(zhuǎn)向也隨之改變。5.單相罩極式異步電動機罩極式異步電動機的主磁通包括兩部分：1）未罩部分Φ’A；2）被未罩部分ΦB。從相量圖看出在時間上相差一個相位差角。罩極式異步電動機中的磁通Φ’A，ΦB在空間上相差一個電角度，在時間上相差一個電角度。氣隙磁通勢為橢圓磁通勢。由于，Φ’A永遠領(lǐng)先ΦB，因此電動機轉(zhuǎn)向總是從磁極的未罩部分向被罩部分移動，即轉(zhuǎn)向不能改變。單相罩極式異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護方便。但啟動轉(zhuǎn)矩小，所以主要用于小功率電動機的空載起動場合，如小型風扇、電唱機等。12.2伺服電動機伺服電動機把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦；而交流伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。12.2.1直流伺服電動機直流伺服電動機實際上就是他勵直流電動機，只不過直流伺服電動機輸出功率較小而已。輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上。若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式叫磁場控制。12.2.2交流伺服電動機交流伺服電動機就是兩相異步電動機，定子上有兩個空間相差90o電角度的分布繞組，勵磁繞組f和控制繞組K，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。勵磁繞組f接單相交流電壓Uf，控制繞組K接單相交流電壓Uk，Uf與Uk二者同頻率。為了使電動機有較好的調(diào)節(jié)性能，并且在控制信號為零時，電動機制動到零（避免自傳現(xiàn)象）。T+和T-曲線的sm很大（s+m

≥1）。所以交流伺服電動機轉(zhuǎn)子電阻值相對于一般異步電動機來說很大?？紤]控制信號Uk不同的情況：控制信號最強時合成磁通勢為圓磁勢，機械特性如曲線T1，控制信號最弱時合成磁通勢為脈振磁勢，機械特性如曲線T0。其他控制信號時的機械特性應(yīng)在這兩條曲線之間，如T2。nTn1s0T1T0T2n2n0改變控制信號Uk大小與相位即實現(xiàn)對交流伺服電動機的控制，控制方法主要有三種：幅值控制，相位控制和幅值-相位控制。1.幅值控制幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機轉(zhuǎn)速，此時控制電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓ＵkN,，控制信號的大小可表示Ｕk＝ＵkN,稱為有效信號系數(shù)，以ＵkN為基值，控制電壓Ｕk的標么值為：2.相位控制保持控制電壓和勵磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來改變交流伺服電動機轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制。Uf與UK是同頻率的，二者相位差為，=0o~90o，Uf落后于UK。這樣sin=0~1，稱為相位控制系數(shù)。相位控制的機械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3.幅值-相位控制我們還可以通過同時改變幅值和相位的方法來實現(xiàn)對控制電壓的改變。幅度—相位控制線路簡單，不需要復(fù)雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點，因而成為使用最多的控制方式。12.4

微型同步電動機微型同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與一般的同步電動機相同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定，使用在轉(zhuǎn)速要求恒定的裝置中，例如：電唱機、錄音機、電視設(shè)備、電鐘、記錄儀陀螺儀等。微型同步電動機的定子結(jié)構(gòu)可以是三相的也可是單相的。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，微型同步電動機主要分為永磁式、反應(yīng)式、磁滯式等。12.4.1永磁式微型同步電動機永磁式微型同步電動機采用異步起動法：在起動過程中，轉(zhuǎn)子上的鼠籠起動繞組在定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場下產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使電機起動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速n1時，轉(zhuǎn)子被“牽入同步”。12.4.2反應(yīng)式微型同步電動機反應(yīng)式微型同步電動機的轉(zhuǎn)子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，使其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當反應(yīng)式同步電動機定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉(zhuǎn)矩（也叫反應(yīng)轉(zhuǎn)矩），拖動負載同步運行。12.4.2反應(yīng)式微型同步電動機反應(yīng)式微型同步電動機轉(zhuǎn)子上也裝有鼠籠繞組，用來啟動，同時鼠籠繞組還可作為阻尼繞組，消除轉(zhuǎn)子的振蕩。如圖為不同的轉(zhuǎn)子沖片，沖片上的小圓孔內(nèi)裝鼠籠條。12.4.3磁滯式同步電動機磁滯式同步電動機轉(zhuǎn)子多采用環(huán)形硬磁材料，可用沖壓片疊壓而成，也可用整塊鑄造而成。里面有套筒。功率較小的磁滯式電動機，定子可以采用罩極式結(jié)構(gòu)，與罩極式單相異步電動機的定子一樣。這樣運行的轉(zhuǎn)矩既有磁滯轉(zhuǎn)矩又有反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。12.5步進電動機在自動控制系統(tǒng)中，常常需要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為角位移。步進電動機就是一種用電脈沖進行控制、將的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動機。步進電動機輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖數(shù)成正比。步進電動機常用在數(shù)控起床、數(shù)控線切割機、平面繪圖機、計算機打印機等。步進電動機有反應(yīng)式步進電動機、永磁式步進電動機和混合式步進電動機之分。反應(yīng)式步進電動機是使用最多的一種，而其他步進電動機的工作原理與反應(yīng)式步進電動機相似。12.5步進電動機步進機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，它們均為磁性材料。如圖為一臺三相六極反應(yīng)式步進電動機，轉(zhuǎn)子有四個齒。ABC定子轉(zhuǎn)子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。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。12.5.1矩角特性及穩(wěn)定平衡點工作時，ABC三相輪流通電流I，轉(zhuǎn)子就會向一個方向一步一步轉(zhuǎn)動。12.5.1矩角特性及穩(wěn)定平衡點步進電動機不改變通電情況的運行狀態(tài)叫靜態(tài)運行。靜態(tài)時轉(zhuǎn)矩受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩稱為靜轉(zhuǎn)矩T。電機定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角叫做失調(diào)角，用電角度表示。這樣，我們作出靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角之間的特性曲線，叫做矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角的關(guān)系近似為：T=-Csin矩角特性：T=-Csin靜穩(wěn)定區(qū)：正在通電的繞組的靜穩(wěn)定區(qū)稱之為靜穩(wěn)定區(qū)。

A相通電時，-<<為靜穩(wěn)定區(qū)。A’C1324B’AC’B轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，由于慣性，一般都有個振動過程。為減少振動，步進電動機要加阻尼。12.5.2步進運行狀態(tài)脈沖通電順序為A-B-C。不考慮振蕩，空載運行情況分析。動穩(wěn)定區(qū)：下一個通電繞組的靜穩(wěn)定區(qū)稱之為動穩(wěn)定區(qū)。靜、動穩(wěn)定區(qū)必須有重疊，即重疊區(qū)(-b)0。負載步進運行：若(-b)越大，TLmax也越大。若通電順序相反，為A-C-B，電動機反轉(zhuǎn)。12.5.3連續(xù)運行狀態(tài)當脈沖頻率f增高，其周期比轉(zhuǎn)子振蕩的過渡過程時間還短時，轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動不停，這叫做連續(xù)運行狀態(tài)。連續(xù)運行狀態(tài)是步進電動機經(jīng)常的運行狀態(tài)，頻率比較高，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，調(diào)速范圍也很大。電動機不丟步連續(xù)運行的最高頻率叫運行頻率，其值越高電機轉(zhuǎn)速越高。步進電動機一般采用機械阻尼，是振蕩很快衰減。同時還要加大(-b)的范圍，即減小步距角，增加電機的穩(wěn)定性。12.5.4通電方式、電機轉(zhuǎn)速及其他三相單三拍：A-B-C-A，步距角b=2/3電角度；三相雙三拍：AB-BC-CA-AB，步距角與單三拍相同，但轉(zhuǎn)子受到兩個方向的平衡力矩，振蕩弱，穩(wěn)定性好。三相單、雙六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A，一個齒距即在2電角度中六等分，步距角b=/3電角度。顯然-b=2/3電角度，比三拍的大一倍，待負載能力增強了，穩(wěn)定性更好