電機(jī)與電機(jī)控制課件

電機(jī)與電機(jī)控制Motorandmotorcontrol電機(jī)與電機(jī)控制電磁學(xué)的知識(shí)Motorandmotorcontrol1常見電機(jī)介紹26無刷直流電機(jī)控制原理5直流電機(jī)控制原理4PWM調(diào)制原理7步進(jìn)電機(jī)控制原理3電機(jī)控制系統(tǒng)一、電磁學(xué)

PKPK一、電磁學(xué)

1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)漢斯·奧斯特(HansChristianOersted，1777～1851年)，丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家。一、電磁學(xué)

于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》科學(xué)史上，稱牛頓把天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來，是實(shí)現(xiàn)第一次大綜合；麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來，是實(shí)現(xiàn)第二次大綜合，因此應(yīng)與牛頓齊名。愛因斯坦高度評(píng)價(jià)法拉第的工作，認(rèn)為他在電學(xué)中的地位，相當(dāng)于伽利略在力學(xué)中的地位。法拉第奠定了電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

MichaelFaraday

JamesClerkMaxwell

一、電磁學(xué)

二、常見電機(jī)二、常見電機(jī)電機(jī)的作用：1.電能的生產(chǎn)、傳輸和分配中的主要設(shè)備；2.各種生產(chǎn)機(jī)械和裝備的動(dòng)力設(shè)備；3.自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要元件；電機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械

。二、常見電機(jī)1.電能傳輸時(shí)為什么要用變壓器？2.為什么采取三相電能傳輸？二、常見電機(jī)交流電機(jī)：能輸出交流電流的發(fā)電機(jī)，或通入交流電流而產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。交流電機(jī)異步電機(jī)同步電機(jī)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)繞線式異步電動(dòng)機(jī)隱極式同步電動(dòng)機(jī)凸極式同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)定子鐵心：定子沖片定子繞組其他部件：機(jī)座，端蓋，風(fēng)罩，銘牌定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心：轉(zhuǎn)子沖片轉(zhuǎn)子繞組其他部件：軸，軸承，風(fēng)扇二、常見電機(jī)MotorBasicsPopQuiz:Amotorislikea(n)… A)Resistor B)Capacitor C)Inductor D)Crazyspace-ageddevicewe aren’treallymeanttounderstand二、常見電機(jī)TheAnswerIs…(NotD)C)AnInductor!!…sortof…

二、常見電機(jī)AProblem:What’swrongwiththecircuitbelow?二、常見電機(jī)GettothePoint…Ithasresistance!AmotorislikeaREALinductor…notanIDEALinductor.二、常見電機(jī)RememberthisWaveform!Notehowthecurrentlevelsoff.Thiswillprovideasteadyspeed.二、常見電機(jī)交流電機(jī)結(jié)構(gòu)二、常見電機(jī)定子繞組二、常見電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心二、常見電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和軸二、常見電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)工作原理1、異步電動(dòng)機(jī)定子上有三相對(duì)稱的交流繞組；2、三相對(duì)稱交流繞組通入三相對(duì)稱交流電流時(shí)，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；3、轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中；4、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)；5、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流。6、感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。7、電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。二、常見電機(jī)同步發(fā)電機(jī)工作原理◆主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。

◆載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體?！羟懈钸\(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）?！艚蛔冸妱?shì)(有效值，頻率)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過引出線，即可提供交流電源。

◆交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。二、常見電機(jī)凸極式轉(zhuǎn)子與水輪發(fā)電機(jī)凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子常用在水輪發(fā)電機(jī)上。由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。另外，中小型同步電機(jī)多半也做成凸極式。水輪發(fā)電機(jī)二、常見電機(jī)隱極式轉(zhuǎn)子與汽輪發(fā)電機(jī)隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子常用在汽輪發(fā)電機(jī)上。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170m/s。細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子能減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力。但是，考慮到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。

汽輪發(fā)電機(jī)二、常見電機(jī)三、電機(jī)控制系統(tǒng)三、電機(jī)控制系統(tǒng)四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

■面積等效原理

◆是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

◆原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。

?沖量即指窄脈沖的面積。

?效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

?如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

◆實(shí)例

?將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。

圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形

四、PWM調(diào)制原理

■用PWM波代替正弦半波

◆將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。◆把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。

◆對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

◆脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形?！鯬WM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波。■基于等效面積原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。

圖7-3用PWM波代替正弦半波

四、PWM調(diào)制原理

直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖和電壓波形四、PWM調(diào)制原理

2.斬波器的基本工作原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞電流經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖，好像是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在T–ton時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬波”。四、PWM調(diào)制原理

3.輸出電壓計(jì)算電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

1.不可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

2）制動(dòng)狀態(tài)四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

2.可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

相關(guān)方程：四、PWM調(diào)制原理

性能評(píng)價(jià)四、PWM調(diào)制原理

（2）單極式可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

五、直流電機(jī)控制原理

工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II電流方向：上半邊向里，下半邊向外。如圖所示。五、直流電機(jī)控制原理

注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chǎng)的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片II五、直流電機(jī)控制原理

FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。五、直流電機(jī)控制原理

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(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)五、直流電機(jī)控制原理

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：永磁式：由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。五、直流電機(jī)控制原理

根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵(lì)UfIfIaUM并勵(lì)UIfM串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)U五、直流電機(jī)控制原理

電樞通入電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)起來。通電線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（用E表示）。電樞中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)FFU+–NS電刷換向片IIEE電樞電動(dòng)勢(shì)及電壓平衡關(guān)系五、直流電機(jī)控制原理

根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：磁通單位：（韋伯），n（轉(zhuǎn)/每分），E（伏）FFU+–NS電刷換向片IIEE五、直流電機(jī)控制原理

因?yàn)镋與通入的電流方向相反，所以叫反電勢(shì)。U：外加電壓Ra:繞組電阻MRaIaE+–+–U以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動(dòng)勢(shì)的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當(dāng)外加電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。五、直流電機(jī)控制原理

KT：與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對(duì)數(shù)等有關(guān)）：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流電磁轉(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(lì)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。五、直流電機(jī)控制原理

六、無刷直流電機(jī)控制原理

六、無刷直流電機(jī)控制原理

主要特點(diǎn)無刷直流電機(jī)有刷直流電機(jī)換相方式電子換相電刷換相維護(hù)很少需要維護(hù)定期維護(hù)壽命長(zhǎng)短效率高中等輸出功率和尺寸比高，散熱好。低制造成本較高低控制復(fù)雜，昂貴簡(jiǎn)單，便宜電磁噪聲低高無刷直流電機(jī)、有刷直流電機(jī)性能比較無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)六、無刷直流電機(jī)控制原理

無刷直流電機(jī)控制原理1、稀土永磁體的取向性好，可以方便地獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場(chǎng)。

2、定子繞組采用集中整距繞組，方波磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)出來的電動(dòng)勢(shì)為梯形波。

六、無刷直流電機(jī)控制原理

無刷直流電機(jī)控制原理六、無刷直流電機(jī)控制原理

無刷直流電機(jī)控制原理六、無刷直流電機(jī)控制原理

無位置傳感器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)六、無刷直流電機(jī)控制原理

七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。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。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。由此可見：錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子轉(zhuǎn)子七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C

相不通電。由于在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對(duì)齊。1C'342CA'BB'A七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個(gè)齒距角)。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

三相六拍按AABBBCCCA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對(duì)齊。

A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。七、步進(jìn)電機(jī)控制原理

CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時(shí)通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉