步進電機及其工作原理電機的工作原理及特性

步進電機及其工作原理電機的工作原理及特性第1頁/共125頁步進電機外形結(jié)構(gòu)常見步進電機外形構(gòu)造

第2頁/共125頁步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)第3頁/共125頁步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進電機的內(nèi)部構(gòu)造

第4頁/共125頁步進電機分類按照力矩產(chǎn)生原理分類——激磁式反應(yīng)式混合式按照定子數(shù)目分類——單定子雙定子多定子按照定子勵磁相數(shù)分類——三相四相五相六相按照各相繞組的分布規(guī)律分類——徑向分相(垂軸式)

軸向分相(順軸式)第5頁/共125頁三段式（三定子）軸向分相步進電機1－線圈2－定子3－轉(zhuǎn)子第6頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機第7頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——內(nèi)部結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖

第8頁/共125頁A相定子繞組通電形成磁場

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——磁場形成第9頁/共125頁步進電機節(jié)拍運動動畫

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——節(jié)拍運動動畫第10頁/共125頁步距角：

步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。

第11頁/共125頁單相輪流通電（M相單M拍）

順時針輪回A→B→C→A

逆時針輪回A→C→B→A

雙相輪流通電（M相雙M拍）

順時針輪回AB→BC→CA→AB

逆時針輪回BA→AC→CB→BA單雙相輪流通電（M相2M拍）

順時針輪回A→AB→B→BC→C→CA→A

逆時針輪回A→AC→C→CB→B→BA→A單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——定子的通電方式

第12頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

A→B→C→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

順時針步距角：

第13頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序:

A→C→B→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

逆時針步距角：

第14頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

AB→BC→CA→AB轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

順時針步距角：

第15頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

BA→AC→CB→BA轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

逆時針步距角：

第16頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

A→AB→B→BC→C→CA→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：順時針步距角：第17頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

A→AC→C→CB→B→BA→A

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：逆時針步距角：第18頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒

定子通電順序：

A→B→C→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

逆時針步距角：

第19頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒定子通電順序:

A→C→B→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

順時針步距角：

第20頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

AB→BC→CA→AB轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

逆時針步距角：

第21頁/共125頁單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

BA→AC→CB→BA轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：

順時針步距角：

第22頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

A→AB→B→BC→C→CA→A轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：逆時針步距角：

第23頁/共125頁

單段反應(yīng)式步進電機的工作原理

——四轉(zhuǎn)子齒定子通電順序：

A→AC→C→CB→B→BA→A

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：順時針步距角：

第24頁/共125頁步距角：

步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。?轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角越小?定子相數(shù)越多，步距角越小?通電方式的節(jié)拍越多，步距角越小式中：m

－定子相數(shù)

Z

－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

C

－通電方式

C=1

單相輪流通電、雙相輪流通電方式

C=2

單、雙相輪流通電方式第25頁/共125頁常用步進電機的步距角常用步進電機的定子繞組多數(shù)是三相和五相,與此相匹配的轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為40齒和48齒，即有三相步進電機：五相步進電機：第26頁/共125頁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原因分析第27頁/共125頁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原因分析第28頁/共125頁步進電機的實際結(jié)構(gòu)第29頁/共125頁步進電機的實際結(jié)構(gòu)第30頁/共125頁步進電機展開結(jié)構(gòu)第31頁/共125頁實際步進電機轉(zhuǎn)動的模擬第32頁/共125頁?

控制輸入給步進電機的脈沖數(shù)目可以控制步進電機的角位移結(jié)論?

控制輸入給步進電機的脈沖的頻率可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速?

控制步進電機定子繞組的通電順序可以控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向

第33頁/共125頁步進電機的驅(qū)動控制第34頁/共125頁步進電機的驅(qū)動控制功率放大器環(huán)形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進給脈沖至步進電機繞阻1.脈沖混合電路將脈沖進給、手動進給、手動回原點、誤差補償?shù)然旌蠟檎蚧蜇撓蛎}沖進給信號2.加減脈沖分配電路將同時存在正向或負向脈沖合成為單一方向的進給脈沖第35頁/共125頁3.加減速電路

將單一方向的進給脈沖調(diào)整為符合步進電機加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩(wěn)，加減速具有一定的時間常數(shù)。4.環(huán)形分配器

將來自加減速電路的一系列進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電機定子繞阻通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?yīng)。5.功率放大器

將環(huán)形分配器輸出的mA級電流進行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。步進電機的驅(qū)動控制第36頁/共125頁

將插補器的單序列脈沖轉(zhuǎn)換為步進電機需要的多序列脈沖的裝置叫環(huán)行分配器。

環(huán)行分配器可以由硬件構(gòu)成也可以由軟件構(gòu)成。環(huán)行分配器第37頁/共125頁環(huán)行分配器的工作原理

硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。因為步進電機有幾相就需要幾個序列脈沖，所以步進電機有幾相，就要設(shè)置幾個觸發(fā)器。每個觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個序列脈沖，用來控制步進電機某相定子繞組的通、斷電。觸發(fā)器工作的同步信號就是來自插補器的某個坐標軸的位移驅(qū)動信號Δx或Δy。第38頁/共125頁三相單三拍工作方式：A→B→C→A當QA有輸出ΔA，就使步進電機的A相通電，當QB有輸出ΔB，就使步進電機的B相通電，當QC有輸出ΔC，就使步進電機的C相通電。輸出波形如下環(huán)行分配器的工作原理第39頁/共125頁

如果用D觸發(fā)器,則觸發(fā)器的輸入端就是D端，它的信號也取自觸發(fā)器本身，不過這中間還要加一定的外接無源電路。觸發(fā)器的輸出和輸入通過一定的外電路連接在一起，構(gòu)成一個封閉的整體環(huán)形電路，只要有|¤x這個單序列脈沖它就能連續(xù)不斷地輸出ΔA、ΔB、ΔC，這就是我們把它稱為環(huán)行分配器的道理。即環(huán)行就是觸發(fā)器的輸入由其輸出連接，分配就是根據(jù)步進電機定子繞組的通電順序要求對Δx的序列脈沖進行再分配。所以也常直接稱其為脈沖分配器。環(huán)行分配器的工作原理

第40頁/共125頁第1章電動機的工作原理及特性掌握直流電動機的電勢方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式；三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率的概念;

掌握電動機的機械特性，特別是人工機械特性；掌握電動機起動，制動，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場所；了解用機械特性來分析電動機運行狀態(tài)的方法;了解常用控制電機的應(yīng)用場合.第41頁/共125頁1.1直流電機的工作原理及特性1.直流電機的基本結(jié)構(gòu)主磁極電樞換向器電刷裝置第42頁/共125頁直流電機的結(jié)構(gòu)圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環(huán)2第43頁/共125頁2.直流電機的基本工作原理

發(fā)電機電動機簡化為一對磁極,一個線圈第44頁/共125頁1)感應(yīng)電勢E2.直流電機的基本方程式

2)電磁轉(zhuǎn)矩T-一對磁極的磁通(Wb);n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min);Ke-與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:E-電動勢(V);-一對磁極的磁通(Wb);Ia-電樞電流(A);Kt-與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:T-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm);第45頁/共125頁3.直流電動機的機械特性1.他激和并激直流電動機的機械特性1)原理電路圖第46頁/共125頁1)直流電動機機械特性方程式直流電動機電樞電壓平衡方程式

上式為直流電動機機械特性的一般表達式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:由將Ia值再代入,得::第47頁/共125頁機械特性曲線n=f(T)4.固有(自然)機械特性和人工機械特性1)他激直流電動機的自然機械特性(正轉(zhuǎn))在額定電壓,額定磁通,電樞電路內(nèi)不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.額定負載時,轉(zhuǎn)速降落不多,是硬特性;金屬切削機床,冷軋機,造紙機等宜于選用硬特性的電動機.第48頁/共125頁2)自然機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,Ke,(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計算:no,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運行點(TN,nN),通過這兩點作出自然機械特性.第49頁/共125頁3)舉例(1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速1500r/min,忽略損耗,求自然機械特性.解:分析只要求出理想空載點和額定運行點,就可繪出機械特性.

=0.71=0.132=1667r/min=35Nm第50頁/共125頁4)電動機人工機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機械特性方程式:附加電阻Rad越大,機械特性越軟.第51頁/共125頁(2)改變電樞電壓的人工機械特性

U改變,但轉(zhuǎn)速降不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié).在后面的自動調(diào)速系統(tǒng)學習中有廣泛的應(yīng)用.

隨U的變化而變化第52頁/共125頁(3)改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變磁通時,電動機的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié),理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大-------弱磁增速.使用中,要防止電動機過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動機設(shè)有失磁保護.第53頁/共125頁串激直流電動機的機械特性1)特點:電樞電流就是激磁電流.2)機械特性分析:

第一段,電動機輕載時,機械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉(zhuǎn)速趨近無窮大.

第二段,電動機負載較重時,磁路趨于飽和,機械特性近似一條直線.3)注意事項:直流串激電動機不允許空載運行----飛車事故.

第54頁/共125頁4直流他激電動機的起動特性直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動.限制其起動電流的方法有兩種.1.降壓起動:

組成SCR-M自動調(diào)速系統(tǒng)的起動環(huán)節(jié).是后面學習的一個重點.2.電樞電路串外接電阻起動右圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性,

其起動特性就是前面剛剛學習過的一種人工機械特性.第55頁/共125頁5.直流他激電動機的制動特性直流他激電動機的工作狀態(tài)分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài),如右圖所示.圖中,(a)為電動狀態(tài);(b)為制動狀態(tài).1)特點:電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,電機處于發(fā)電工作狀態(tài).2)制動形式:穩(wěn)定的制動狀態(tài);

過渡的制動狀態(tài).3)制動方法有3種:

反饋制動;

反接制動;

能耗制動.第56頁/共125頁1.反饋制動1)實現(xiàn)條件:外部作用使電動機的轉(zhuǎn)速n大于其理想空載轉(zhuǎn)速no.如,電車下坡,起重機下放重物.2)機械特性:正轉(zhuǎn)時,是第一象限的機械特性在第二象限內(nèi)的延伸,如右圖所示.3)特點:(1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動電動機發(fā)電,將機械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時電動機的轉(zhuǎn)速仍高于理想空載轉(zhuǎn)速,運行不太安全.第57頁/共125頁2.反接制動1)實現(xiàn)條件:電樞電壓或電樞電勢反向.2)分類:(1)電源反接制動.改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的制動.機械特性方程式為;

為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻.

應(yīng)用在需要迅速減速或頻繁正反轉(zhuǎn)的機械上.第58頁/共125頁(2)倒拉反接制動.改變電樞電勢方向所產(chǎn)生的制動.如:起重機的重物下降時,電樞反轉(zhuǎn),電勢反向.此時,位能負載轉(zhuǎn)矩TL使重物下放,電動機轉(zhuǎn)矩TM反對重物下放-----制動.特點:適當選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉(zhuǎn)速,保證安全;

轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差.制動特性如右圖所示.是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸.反接制動第59頁/共125頁3.能耗制動1)實現(xiàn)條件:將電樞電壓突然降為零,串一外接電阻使電樞短接.此時電動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T與n反向-----制動.2)特點:制動時的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁雇饨与娮璋l(fā)熱而消耗,稱之為“能耗”;

穩(wěn)定性好,電動機不可能反向起動.3)應(yīng)用:要求迅速準確停車的場合;重物恒速下放.第60頁/共125頁6.直流他激電動機的調(diào)速特性由直流他激電動機人工機械特性方程式直流電動機的調(diào)速方法:式中,Ke,Kt,Ra

均為常數(shù),因此,電動機有3種調(diào)速方法

1.變電樞電路外接電阻Rad;2.變電樞電壓U;3.變磁通

.第61頁/共125頁1.改變電樞電路外接電阻調(diào)速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性如右圖示.1)應(yīng)用:起重機,卷揚機;2)缺點:機械特性軟,實現(xiàn)無級調(diào)速困難;3)注意:串電阻調(diào)速與起動特性相似,但起動電阻與調(diào)速電阻不同.第62頁/共125頁2.改變電動機電樞供電電壓調(diào)速變電樞電壓調(diào)速的機械特性如右圖.1)特點:容易實現(xiàn)無級調(diào)速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設(shè)備.2)應(yīng)用;適用于恒轉(zhuǎn)矩負載,組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.第11章將重點學習.第63頁/共125頁3.改變電動機主磁通調(diào)速變磁通調(diào)速的機械特性如右圖示.1)特點:可以實現(xiàn)無級調(diào)速;機械特性軟;調(diào)速范圍不大.2)應(yīng)用:適用于恒功率負載.一般與調(diào)壓配合使用.3)注意:在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)--------弱磁增速.第64頁/共125頁例題例:一臺直流他激電機的額定數(shù)據(jù)為;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐;如果電動機在額定轉(zhuǎn)矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓降到180V時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時)時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?解:

(1)此時,U=180V,Ra=1.7歐=14第65頁/共125頁例題求解(2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐(3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7(以上轉(zhuǎn)速單位為r/min)第66頁/共125頁1.2三相異步電動機的工作原理及特性1).三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙.(1)定子定子由鐵心,繞組,機座三部分組成.

鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成;

三相繞組連接成星形或三角形;

機座一般用鑄鐵作成,主要用于固定和支撐定子鐵心.(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成.

轉(zhuǎn)子同樣由硅鋼片疊壓而成,壓裝在轉(zhuǎn)軸上;

轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式和線繞式兩種.

線繞式異步電動機還有滑環(huán),電刷機構(gòu).第67頁/共125頁鼠籠式三相異步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖5.定子鐵心,6.定子繞組,7.轉(zhuǎn)軸,8.轉(zhuǎn)子,9.風扇,11.軸承,12.機座第68頁/共125頁鼠籠電動機轉(zhuǎn)子和線繞電動機轉(zhuǎn)子繞組與外部接線第69頁/共125頁2).三相異步電動機的工作原理(1)三相正弦交流電通入電動機定子的三相繞組,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱之為同步轉(zhuǎn)速;(2)旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體,產(chǎn)生感應(yīng)電勢;(3)轉(zhuǎn)子繞組中感生電流;(4)轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生力,形成電磁轉(zhuǎn)矩,電動機就轉(zhuǎn)動起來了.

電動機的轉(zhuǎn)速達不到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,否則,就不能切割磁力線,就沒有感應(yīng)電勢,電動機就停下來了.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速不一樣,差那么一些,稱之為異步.

設(shè)同步轉(zhuǎn)速為no,電動機的轉(zhuǎn)速為n,則轉(zhuǎn)速差為;no-n;

電動機的轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速之比定義為異步電動機的轉(zhuǎn)差率S,S是分析異步電動機運行情況的主要參數(shù),且

第70頁/共125頁3).三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場(1)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生設(shè)電動機為2極,每相繞組只有一個線圈.在0-T/2這個區(qū)間,分析有一相電流為零的幾個點.規(guī)定:當電流為正時,從首端進尾端出;電流為負時,從尾端進首端出.第71頁/共125頁t=0時，iA=0;iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產(chǎn)生的合成磁場，如圖(a)中箭頭所示。t=0時，iA=0;iB為負，iC為正第72頁/共125頁t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正(電流從A端流到X端)；iB為負(電流從Y端流到B端)；iC=0。此時的合成磁場如圖(b)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了π/3。t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正；iB為負；iC=0第73頁/共125頁此時的合成磁場如圖(c)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了2π/3。t=T/3時，ωt=ωT/3=2π/3,iA為正;iB=0；iC為負第74頁/共125頁此時的合成磁場如圖(d)所示。合成磁場從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了π。按以上分析可以證明：當三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。t=T/2時，ωt=ωT/2=π,iA=0；iB為正；iC為負。第75頁/共125頁旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與三相交流電的相序一致;改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈?即A-B-C變?yōu)镃-B-A,旋轉(zhuǎn)磁場反向;要改變電動機的轉(zhuǎn)向,只要任意對調(diào)三相電源的兩根接線.(2)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向式中,f為電源頻率50HZ;p為電動機的磁極對數(shù).電動機的磁極對數(shù)為1時,同步轉(zhuǎn)速為3000r/min;電動機的磁極對數(shù)為2時,同步轉(zhuǎn)速為1500r/min;電動機的磁極對數(shù)為3時,同步轉(zhuǎn)速為1000r/min.(3)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度-----同步轉(zhuǎn)速no

第76頁/共125頁(4)定子繞組線端連接方式注意:三相繞組連接成星形,每相繞組承受相電壓220V;

三相繞組連接成三角形,每相繞組承受線電壓380V.第77頁/共125頁3.三相異步電動機的電路分析1).定子電路分析電動機定子和轉(zhuǎn)子每相繞組的匝數(shù)分別為N1和N2.定子每相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:其有效值為

:定子和轉(zhuǎn)子電路的感應(yīng)電勢第78頁/共125頁定子電路分析其大小為:忽略R1和X1上的電壓降,有:考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁通,用復數(shù)表示為:一相電路圖第79頁/共125頁2).轉(zhuǎn)子電路分析其中旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)出的電動勢為:起動瞬間第80頁/共125頁3.三相異步電動機的額定值電動機銘牌數(shù)據(jù):額定功率PN;額定電壓UN;額定頻率f=50Hz;額定電流IN;額定轉(zhuǎn)速nN;有的參數(shù)要經(jīng)過計算得出:額定效率額定負載轉(zhuǎn)矩額定效率額定負載轉(zhuǎn)矩第81頁/共125頁4.三相異步電動機的能流圖P2等于P1減去電動機的總損耗電源輸入的功率P1:電動機的輸出功率P2(銘牌功率)第82頁/共125頁舉例

解:1)由電勢計算公式得:3)額定轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子電動勢的頻率2)轉(zhuǎn)子繞組開路時,f2=f1,得1)定子每相繞組感應(yīng)電動機E1;2)轉(zhuǎn)子每相開路電壓E20;3)額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子每相繞組感應(yīng)電動勢E2N.

例1:有一臺Y型接線的三相異步電動機,其額定參數(shù)為:功率90KW,UN=3000V,IN=22.9A,電源頻率f=50Hz,額定轉(zhuǎn)差率SN=28.5%,定子每相繞組匝數(shù)N1=320,轉(zhuǎn)子每相繞組匝數(shù)N2=20,旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通0.023WB,求:第83頁/共125頁舉例例2:一臺4極三相異步電動機,電源頻率50Hz,額定轉(zhuǎn)速1440r/min,轉(zhuǎn)子電阻0.02歐,轉(zhuǎn)子電抗0.08歐,轉(zhuǎn)子電動勢E20=20V,求:1)電動機的同步轉(zhuǎn)速;2)電動機起動時的轉(zhuǎn)子電流.解;1)電動機為4極,磁極對數(shù)p=2,有n0=60f/P=3000/2=1500r/min

2)電動機起動時的轉(zhuǎn)子電流第84頁/共125頁4.三相異步電動機的機械特性1).三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩

三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用而產(chǎn)生的:

代入用代入,合并上面幾個式子得轉(zhuǎn)矩又一公式:注意,轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比第85頁/共125頁2).三相異步電動機的機械特性n=f(T)

固有機械特性(自然機械特性):在額定電壓和額定頻率下,定子和轉(zhuǎn)子電路中不接任何電阻或電抗時,電動機的機械特性.

(2)額定工作點

T=TN,n=nN,S=SN;此時有自然特性上有4個特殊點:(1)理想空載轉(zhuǎn)速點noT=0,n=no,S=0;第86頁/共125頁(3)起動工作點

T=Tst,n=0,S=1;此時有(4)臨界工作點

T=Tanm,n=nm,s=Sm;有:自然機械特性第87頁/共125頁人工機械特性介紹4種人工特性,即:降低定子電壓時,定子電路串入電阻或電抗時,變頻率時,線繞電動機轉(zhuǎn)子串電阻時.(1)降低電壓時的人工特性

電壓越低,人工特性曲線越往左移;

電動機的過載能力和起動轉(zhuǎn)矩會大大降低;

電壓降低,負載轉(zhuǎn)矩不變時,電動機過熱;

電壓降低太多,電動機將帶不動負載(不能起動).第88頁/共125頁(2)定子電路串入電阻或電抗時的人工特性

定子電路串電阻或電抗時的人工機械特性如右圖中虛線2所示,1為電壓降低時的人工機械特性;

曲線2與曲線1相比較,最大轉(zhuǎn)矩要大一些.

第89頁/共125頁

(3)改變定子電源頻率時的人工特性

隨著頻率的降低,理想空載轉(zhuǎn)速只能在電源額定頻率以下調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)速no減小,臨界轉(zhuǎn)差率Sm減小,起動轉(zhuǎn)矩Tst增大,最大轉(zhuǎn)矩Tmax不變.第90頁/共125頁(4)三相線繞式異步電動機轉(zhuǎn)子電路外接電阻時的人工特性電路圖如右圖中(a)所示,三相轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)電刷機構(gòu)與外接電阻相聯(lián)接;起動轉(zhuǎn)矩增加(有利),理想空載轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩不變.第91頁/共125頁5.三相異步電動機的起動特性生產(chǎn)機械對電動機起動的要求是:起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小.

1).三相鼠籠式異步電動機的起動方法

三相異步電動機起動電流是額定電流的(5-7)倍,為滿足起動要求,三相異步電動機的起動方法分為直接起動和降壓起動兩類.

(1)直接起動(全電壓起動)適用范圍;

電動機功率<20%變壓器容量.

一般中小型鼠籠式異步電動機都采用全電壓直接起動.第92頁/共125頁(2)降壓起動:容量大的電動機起動電流大,為了限制過大的起動電流,采用降壓起動.在工廠常用的降壓起動方法有4種:定子串電阻或電抗器,Y-△變換,自耦變壓器,延邊三角形.(1)定子繞組串電阻或電抗器降壓起動

電路圖如右圖;

不足之處:起動轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的平方下降;

不經(jīng)濟.應(yīng)用場合:電動機空載或輕載起動.第93頁/共125頁(2)Y-△降壓起動:只有正常運行時定子三相繞組是△接法的電動機才能采用Y-△降壓起動.對于國產(chǎn)JO,JO2,Y,Y2系列電動機,功率大于4.5kW的都是采用△接線.也就是說,大容量電動機都可以用Y-△降壓起動.

Y-△降壓起動的電氣原理圖如右圖所示.起動時,三相繞組接成Y形,運行時,繞組接成△形.電流下降1/3,轉(zhuǎn)矩也下降1/3.

特點:

電動機Y形起動過程中,可提高電動機的效率和功率因數(shù);

起動轉(zhuǎn)矩小,只適用于空載或輕載起動的場合;

設(shè)備簡單,經(jīng)濟;在機床工業(yè)上應(yīng)用較普遍.第94頁/共125頁(3)自耦變壓器降壓起動

特點:

起動電流小,而且可以調(diào)節(jié);

不適用于頻繁起動;

體積大,重量重,價格高.與定子串電阻或電抗器起動相比較,在相同的起動轉(zhuǎn)矩情況下,起動電流要小.第95頁/共125頁(4)延邊三角形起動

對電動機定子繞組和繞組出線有特殊要求;

起動時繞組一部分Y形,一部分△形接線;運行時繞組△接線.

制造成本高,接線復雜.第96頁/共125頁2).三相線繞式異步電動機的起動方法.

線繞式電動機在轉(zhuǎn)子電路串電阻,可以獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩以及較小的起動電流,即有良好的起動特性.(1).逐級切除起動電阻法

(1)電路圖:如右圖.轉(zhuǎn)子外接電阻為三相對稱電阻;當電動機容量大時,一般采用三相不對稱電阻.(2)起動過程:起動初瞬,電阻全部接入;在起動過程中,分三次切除外接電阻,人工特性往上提,電阻全部切除后,通過提刷機構(gòu),使轉(zhuǎn)子繞組短接,機械特性回到自然特性.(3)特點:在起動過程中,電動機能保持最大的加速轉(zhuǎn)矩.第97頁/共125頁(2)頻敏變阻器起動法

(1)頻敏變阻器:它是一個鐵損很大的三相電抗器,鐵心用A3鋼板疊成,三相繞組接成Y形.(2)起動過程:起動初瞬,轉(zhuǎn)子電流頻率接近50Hz,鐵損大,即等效阻抗大,從而限制了起動電流,增大了起動轉(zhuǎn)矩.隨著轉(zhuǎn)速逐步上升,等效阻抗逐步減小;到轉(zhuǎn)速達額定轉(zhuǎn)速,相當轉(zhuǎn)子被短接,起動結(jié)束.(3)特點:起動過程能平滑進行,不需要控制電器;

功率因數(shù)低;

只能用于起動,而串電阻起動時,電阻還可用于調(diào)速.第98頁/共125頁3.舉例

例1:一臺Y280S-4三相鼠籠式異步電動機,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,電動機由320kVA的變壓器單獨供電,電動機所帶負載轉(zhuǎn)矩TL=200Nm,問(1)電動機能否直接起動?(2)電動機能否用Y-△降壓起動?解(1)電動機額定功率與供電變壓器容量之比為

75/320=0.234>0.2

電動機不宜直接起動.

(2)電動機的額定轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩分別為

TN=9550(PN/nN)=9550(750/1480)=484NmTst=1.9TN=1.9X484=920Nm如果采用Y-△降壓起動,則起動轉(zhuǎn)矩僅為起動轉(zhuǎn)矩的三分之一,即TstY=1/3X920=307>200=TL因此,可以采用Y-△降壓起動.第99頁/共125頁舉例解:電動機直接起動時,n=0,S=1,轉(zhuǎn)子電路每相的電動勢

(1)E20=E20l/=146V例2:一臺JZR-63-10三相線繞式異步電動機的額定數(shù)為:PN=60kW,nN=577r/min,轉(zhuǎn)子滑環(huán)間的開路線電壓E20l=253V,轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻R2=0.0344歐,轉(zhuǎn)子不動時每相繞組的漏抗X20=0.163歐,求:(1)電動機直接起動時的E2,I2,(2)電動機運行在額定轉(zhuǎn)速時的E2,I2,(3)電動機運行在n=528r/min時的E2,轉(zhuǎn)子電路每相應(yīng)串電阻R及第100頁/共125頁得得R=0.0732歐;由由下式(3)(2)第101頁/共125頁6.三相異步電動機的制動特性

異步電動機制動方法有3種:反饋制動,反接制動,能耗制動.1).反饋制動(1)產(chǎn)生條件:

電動機的運行速度高于同步轉(zhuǎn)速.此時S<0,電機進入發(fā)電狀態(tài),電能反饋給電網(wǎng).(2)運行狀態(tài):

有兩種情況.(1)位能轉(zhuǎn)矩負載的起重機在下放重物時的反饋制動狀態(tài).

可使重物勻速下降如右圖中a點.b點是改變轉(zhuǎn)子外接電阻后的穩(wěn)定工作點.(2)多速電動機和變頻調(diào)速電機的同步速突然降低時的反饋制動狀態(tài).第102頁/共125頁2).反接制動:分為電源反接和倒拉制動.

電源反接是突然改變?nèi)嚯娫吹南嘈?旋轉(zhuǎn)磁場反向;而倒拉制動則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子位能負載超過電磁轉(zhuǎn)矩的時候.(1)電源反接:

轉(zhuǎn)子在由正變負的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩作用下迅速減速.反接制動時電流大,要在定子電路串電阻.在右圖c點要切斷電源(n=0),否則電動機將反向起動.第103頁/共125頁反接制動:分為電源反接和倒拉制動.

(2)倒拉制動:

電動機減速至右圖c點,由于負載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩,起重機的重物迫使電動機反轉(zhuǎn),電動機進入反接制動狀態(tài).第104頁/共125頁3).能耗制動

(1)產(chǎn)生條件:

電動機定子繞組脫離交流電源后,立即通入低壓直流電,直流電建立一個恒穩(wěn)磁場,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)貯存的能量消耗在電阻上.(2)機械特性:制動時,特性從下圖中的特性曲線1之a(chǎn)點平移至特性曲線2之b點,在制動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的共同作用下,沿曲線2迅速減速,到n=0.(3)特點:當n=0時,T=0,電動機不可能反方向起動,能使電動機準確停車.第105頁/共125頁7.三相異步電動機的調(diào)速特性由基本公式異步電動機的調(diào)速方法主要有三種:變磁極對數(shù)p;變轉(zhuǎn)差率S;變頻率f.可得異步電動機的轉(zhuǎn)速方程式為:和基本公式第106頁/共125頁1).變磁極對數(shù)調(diào)速(1)方法:

改變定子繞組的連接,可以得到兩個不同的磁極對數(shù).(2)多速電動機:

最多在電動機中嵌入兩套繞組,使繞組有不同的連接,可分別得到雙速,三速,四速電動機,雙速應(yīng)用較多.4極2極第107頁/共125頁變磁極對數(shù)調(diào)速3)特點:

結(jié)構(gòu)簡單,效率高,特性好;體積大,價格高.在中小機床上應(yīng)用比較多.雙速電動機的高低速轉(zhuǎn)換,一般是先低速,再轉(zhuǎn)換為高速.雙速電動機Y/YY第108頁/共125頁2).轉(zhuǎn)子電路串電阻(變轉(zhuǎn)差率)調(diào)速(1)應(yīng)用范圍:

只適用于線繞式異步電動機.(2)原理電路和機械特性與串電阻降壓起動相同.

線繞式異步電動機的起動電阻,適當增大電阻的容量,可作調(diào)速電阻用.(3)特點:

結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠;是有級調(diào)速.(4)應(yīng)用:

用于重復短時工作制的生產(chǎn)機械,如起重機械.三相電磁調(diào)速異步電動機也屬于變轉(zhuǎn)差率調(diào)速第109頁/共125頁3).變頻調(diào)速(1)原理:

由上式可知,改變交流電源的頻率,就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速.(2)一般采用頻率和電壓同時改變的變頻電源.(3)應(yīng)用范圍:

用于鼠籠式異步電動機.組成SCR-M調(diào)速系統(tǒng).變頻調(diào)速是交流調(diào)速發(fā)展的方向.有關(guān)內(nèi)容在后面的章節(jié)詳細介紹.第110頁/共125頁1.3控制電機簡介控制電機的主要作用是用來完成信息的傳遞與交換,而不是進行能量轉(zhuǎn)換.第111頁/共125頁1)直流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu):與普通他激直流電動機相同.(有換向器)2.分類:電磁式(他激式);

永磁式,3.電氣原理圖:如右圖.其中(a)為電磁式(b)為永磁式.4.參數(shù):輸出功率1-600W.第112頁/共125頁2).交流伺服電動機

(1)結(jié)構(gòu)

(1)定子:定子由硅鋼片疊成;在定子鐵心的內(nèi)圓表面嵌有兩套相差90度電角度的繞組:激磁繞組WF,控制繞組WC;這兩套繞組分別由兩個電源供電.接線圖第113頁/共125頁兩相交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)(2)轉(zhuǎn)子:分為鼠籠型和杯型兩種.(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子作得細而長,轉(zhuǎn)子導體采用高電阻率的材料.用于小功率的自動控制系統(tǒng).產(chǎn)品型號SL系列.(2)空心杯型轉(zhuǎn)子作成薄壁圓筒形,放在內(nèi)外定子之間.用于要求運行平滑的系統(tǒng).產(chǎn)品型號SK系列.杯型轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖激磁繞組1;控制繞組2;內(nèi)定子3;

外定子4;轉(zhuǎn)子5第114頁/共125頁(2).基本工作原理兩相繞組WF和WC分別通入頻率相同的交流電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,使伺服電動機起動.取消WC后,要防止自轉(zhuǎn).(3).消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施加大轉(zhuǎn)子電阻.如:采用薄壁杯形轉(zhuǎn)子.鼠籠條用高阻材料黃銅轉(zhuǎn)子電阻不同時的機械特性第115頁/共125頁(4).交流伺服電動機的特性和應(yīng)用控制方法;有三種.幅值控制,相位控制,幅-相控制幅值控制原理圖:控制電壓Uc