電機與電氣控制 教學(xué)課件 ppt 作者 施振金 第5章

1、第5章　其他電機,,,單相異步電動機,5.1,,,伺服電動機,5.3,5.1　單相異步電動機,5.1.1單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)5.1.2單相異步電動機的工作原理5.1.3單相異步電動機的主要類型和啟動方法5.1.4單相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制5.1.5單相異步電動機的調(diào)速5.1.6三相異步電動機的單相運行,常用的單相異步電動機,（a）單相電容啟動式 （b）單相罩極式 （c）YY系列電容式圖5.1 單相

2、異步電動機的實物圖,5.1.1 單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu),與三相異步電動機相似1．定子（1）定子與定子繞組（2）外殼2．轉(zhuǎn)子,電容器,前端蓋,定子,轉(zhuǎn)子,后端蓋,引出線,圖5.2 單相異步電動機的結(jié)構(gòu),5.1.2 單相異步電動機的工作原理,與三相異步電動機相似,,交變的脈動磁場,脈動磁場的分解,特點：轉(zhuǎn)子靜止時，兩個旋轉(zhuǎn)磁場分別在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生兩個轉(zhuǎn)矩（大小相等、方向相反），合成轉(zhuǎn)矩為零，不能自行啟動,5.1.3 單相異步電動機的

3、主要類型和啟動方法,如果在單相異步電動機定子上安放具有空間相位相差90°的兩套繞組，然后通入相位相差90°的正弦交流電，那么就能產(chǎn)生一個像三相異步電動機那樣的旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)自行啟動。 1．單相分相式異步電動機2．單相電容式異步電動機 3．單相凸極罩極式異步電動機,1．單相分相式異步電動機,原理：在空間不同相的繞組中通以時間不同相的電流，合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場。（1）電阻啟動單相分相異步電動機（2）電容啟動單

4、相分相電動機,圖5.4 單相分相式異步電動機等效電路,（1）電阻啟動單相分相異步電動機,在定子上嵌有兩個空間相差90°電角度的單相繞組：主繞組U1U2 （工作繞組）、輔助繞組Z1Z2 （啟動繞組），接在同一單相電源上。,缺點：啟動轉(zhuǎn)矩小，啟動電流大。小型鼓風(fēng)機、研磨攪拌機、小型鉆床、醫(yī)療器械、電冰箱等,阻值大 ，細(xì)；電流相位領(lǐng)先,靜止或轉(zhuǎn)速較低時，裝在電動機后端蓋上的離心開關(guān)S處于閉合狀態(tài)；轉(zhuǎn)速達一定值時，S自動斷開,（

5、2）電容啟動單相分相電動機,靜止或轉(zhuǎn)速較低時，裝在電動機后端蓋上的離心開關(guān)S處于閉合狀態(tài)，輔助繞組連同電容器與電源接通。轉(zhuǎn)速達一定值時，S自動斷開。,小型水泵、冷凍機、壓縮機、電冰箱、洗衣機等,2．單相電容式異步電動機,（a）電容運轉(zhuǎn)式 （b）電容啟動、電容運轉(zhuǎn)式圖5.5 單相電容式異步電動機等效電路,粗的輔助繞組，不僅產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，而且參加運行,轉(zhuǎn)矩大,啟動電容,3．單相凸極罩極式異步電動機,分類：凸極式和隱極式兩種。凸

6、極式的定子（凸極鐵芯）、轉(zhuǎn)子鐵芯用硅鋼片疊成，凸極鐵芯組成磁極；在每個磁極1/3~1/4處開一個小槽，將磁極表面分為兩塊，在較小的一塊磁極上套入短路銅環(huán)，套有短路銅環(huán)的磁極稱為罩極。,整個磁極上繞有單相繞組，它的轉(zhuǎn)子仍為籠形,,圖5.6 凸極式罩極電動機結(jié)構(gòu) 圖5.7 等效電路,罩極式電動機的工作原理,表5.1 單相異步電動機結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用,正反轉(zhuǎn)：由輔助繞組和主繞組的接法所決定只要將電源切斷，把兩個繞組中任一繞組的兩個

7、端頭換接，就改變了兩繞組中電流之間的相序，也就改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，使電動機的旋轉(zhuǎn)方向得到了改變。,5.1.4 單相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制,,電容式運轉(zhuǎn)電動機,5.1.5 單相異步電動機的調(diào)速,調(diào)速方法：變頻調(diào)速、串電抗器調(diào)速、晶閘管調(diào)壓調(diào)速、串電容器調(diào)速以及繞組抽頭調(diào)速等。1．串電抗調(diào)速2．抽頭法調(diào)速,家用風(fēng)扇,結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速方便，耗材多吊扇電動機,耗材、耗電少，但繞組嵌放和接線復(fù)雜,（a）串電抗器調(diào)速的接線圖 （b）繞組抽

8、頭調(diào)速的接線圖 圖5.10 單相異步電動機的調(diào)速控制,,電源線路中串入起分壓作用的電抗器，通過開關(guān)選擇繞組匝數(shù)來改變電抗值，改變電動機的電源電壓，調(diào)速,調(diào)速開關(guān)S改變調(diào)速繞組串入主繞組支路的匝數(shù)，達到改變氣隙磁場的目的，調(diào)速,5.1.6 三相異步電動機的單相運行,1．三相異步電動機的單相運行2．三相異步電動機的缺相運行,1．三相異步電動機的單相運行,沒有三相電源 ，臨時應(yīng)急。只適用于小、微型電動機，負(fù)載降40%,,在單相22

9、0V電源上使用三相異步電動機，是按分相式電機的原理，把三相電動機繞組中兩相（U、V相）串聯(lián)起來組成主繞組，另一相串聯(lián)適當(dāng)電容作輔助啟動繞組，利用一、二次繞組中產(chǎn)生的90°相位差，來改三相交流電動機接單相運行。（1）△接法方案（2）Y接法方案,,（1）△接法方案,電容C 1、C2都要求耐壓450V～600V，無極油浸式,,C2=（1～4） C 1C 1—工作電容；C2—啟動電容；In—電動機額定電流；cos?—電動機

10、功率因數(shù)。,圖5.11 三相電動機△接法改單相運行,,配電容改接即可,（2）Y接法方案,圖5.12 三相電機接法改單相運行,,2．三相異步電動機的缺相運行,① 啟動前斷了一相，對Y形法無啟動轉(zhuǎn)矩；對△接法相當(dāng)于電阻分相啟動，產(chǎn)生很小的啟動轉(zhuǎn)矩。一般空載啟動時，不動或微微轉(zhuǎn)動，且?guī)ж?fù)載時，無法啟動。② 運行中斷了一相，則電動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但其他兩相電路中的電流劇增。電機會發(fā)熱燒壞。應(yīng)該在兩相以上設(shè)有過電流保護,定子繞組的一相無電流，

11、即斷相,5.2　直流電機,優(yōu)點：調(diào)速性能良好，大啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力。缺點：制造復(fù)雜，成本較高，運行中電流換向的故障多，對粉塵、易燃易爆場所無法應(yīng)用。在需要較大啟動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械上（如電車、電氣機車等）和要求性能高的生產(chǎn)機械（如軋鋼機等）上廣泛應(yīng)用。,,（a）ZYT系列 （b）J-SZ（ZYT）-PX系列 （c）ZK13TH型圖5.13 直流電機實物圖,5.2　直流電機,5.2.1　直流電機的可逆原理5.2.2　直流

12、電機的結(jié)構(gòu)5.2.3　直流電動機工作原理5.2.4　直流電動機的調(diào)速方法5.2.5　直流電機的銘牌5.2.6　直流電動機的分類5.2.7　直流電機主要系列,5.2.1　直流電機的可逆原理,直流電機的可逆原理：每一臺直流電機既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行。,,直流電動機和直流發(fā)電機，結(jié)構(gòu)完全相同,圖5.14 直流電機的能量轉(zhuǎn)換示意圖,5.2.2　直流電機的結(jié)構(gòu),（a）直流電機分解圖,端蓋,風(fēng)扇,電樞,電刷架,端蓋,

13、1—風(fēng)扇 2—機座 3—電樞 4—主磁極 5—電刷架 6—換向器7—接線板 8—出線盒 9—端蓋 10—換向磁極 11—轉(zhuǎn)軸 12—電樞鐵芯 13—電樞繞組 14—電刷,（b）直流電機剖視圖 （c）直流電機截面圖,組成,1.定子：產(chǎn)生磁場并起機械支撐作用（由主磁極、換向磁極、機座、端蓋、軸承、電刷裝置等部件組成）。2.轉(zhuǎn)子（電樞） ：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，能量轉(zhuǎn)換的樞紐（由電樞鐵芯、電樞繞

14、組、換向器、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸等部件組成）。3.氣隙：定子、轉(zhuǎn)子之間的間隙。,1．定子,端蓋,機座,主磁極,電刷架,換向極,,（1）主磁極（2）換向極（3）機座（4）電刷裝置（5）端蓋,（1）主磁極,機座,主磁極鐵芯,勵磁繞組,（2）換向極,換向極鐵芯,換向極繞組,,（3）機座,作用：1）作為磁軛傳導(dǎo)磁通，是磁路的一部分；2）用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等部件；3）借用機座的底腳把電機固定在基礎(chǔ)上。機座必須具有足夠的機械強度和

15、良好的導(dǎo)磁性能。,（4）電刷裝置,（a）電刷裝置結(jié)構(gòu) （b）電刷在刷握中的安放 圖5.18 電刷裝置,刷桿座,彈簧壓板,刷桿,電刷,刷握,電刷,刷握,刷辨,壓指,壓緊彈簧,（5）端蓋,端蓋一般用鑄鐵制成，固定于機座兩端，其作用是：裝有軸承支撐電樞轉(zhuǎn)動；保護電機避免外界雜物落進；維護人身安全，防止接觸電機內(nèi)部器件。,2．轉(zhuǎn)子,（1）電樞鐵芯（2）電樞繞組（3）換向器（4）轉(zhuǎn)軸,（1）電樞鐵芯,,圖

16、5.19 轉(zhuǎn)子及電樞鐵芯沖片,換向器,電樞繞組元件,電樞鐵芯,徑向通風(fēng)道,齒,槽,軸向通風(fēng)孔,（2）電樞繞組,圖5.20 線圈槽內(nèi)安放示意圖 圖5.21 電樞槽內(nèi)絕緣,上層有效邊,端接部分,下層有效邊,線圈尾端,線圈首端,槽楔,線圈絕緣,導(dǎo)體,層間絕緣,槽絕緣,槽底絕緣,（3）換向器,圖5.22 換向器結(jié)構(gòu),片間云母,鎖緊螺母,V形環(huán),套筒,云母絕緣,換向片,換向片,（4）轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸起電樞旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強

17、度和剛度，一般用圓鋼加工而成。,3．氣隙,氣隙是電機主磁極與電樞之間的間隙，小型電機氣隙約為1mm~3mm，大型電機氣隙約為10mm~12mm。氣隙雖小，因空氣磁阻較大，在電機磁路系統(tǒng)中有重要作用，其大小、形狀對電機性能有很大的影響。,5.2.3　直流電動機工作原理,圖5.23 直流電動機原理示意圖,磁極,電樞,換向器,電刷,5.2.4　直流電動機的調(diào)速方法,1．在電樞中串入電阻2．改變電樞電壓調(diào)速3．減少氣隙磁通調(diào)速,負(fù)載不變的

18、情況下，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速,1．在電樞中串入電阻,只能在低于額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)速。設(shè)備簡單，但特性變軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，電阻上的功率損耗較大。,電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻,R越大，穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速越低,圖5.24 機械特性曲線,,2．改變電樞電壓調(diào)速,調(diào)節(jié)電樞電壓U、n0變化，但斜率不變,圖5.25 機械特性曲線,氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0，改變電樞端電壓,,一組平行曲線,3．減少氣隙磁通調(diào)速,圖

19、5.26 機械特性曲線,電源電壓U=UN，電樞外串電阻RΩ=0，改變氣隙磁通Ф,,5.2.5　直流電機的銘牌,1．型號2．額定功率PN3．額定電壓UN4．額定電流IN5．額定轉(zhuǎn)速nN6．勵磁7．勵磁電壓Uf8．勵磁電流If9．定額10．溫升τN11．額定效率ηN 12．線端標(biāo)記,1．型號,,,2．額定功率PN,額定功率是指電機在額定運行時的輸出功率。對電動機來說，是指軸上輸出的機械功率；對發(fā)電機來說，是

20、指電樞輸出的電功率，單位為kW（千瓦）。,3．額定電壓UN,額定電壓是指電樞繞組能夠安全工作的最大輸入電壓（電動機）或輸出電壓（發(fā)電機），單位為V（伏）。,4．額定電流IN,額定電流是指電機在額定運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A（安）。,5．額定轉(zhuǎn)速nN,額定轉(zhuǎn)速是指電機在額定電壓、額定電流和額定功率下運行時，電機的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min（轉(zhuǎn)/分）。,6．勵磁,指電機的勵磁方式，如他勵、并勵、串勵和復(fù)勵等。,7．勵磁電壓

21、Uf,對并勵電機來說，勵磁電壓就等于電機的額定電壓；對他勵電機來說，勵磁電壓要根據(jù)使用情況決定。,8．勵磁電流If,指電機產(chǎn)生主磁通所需要的最大允許勵磁電流。,9．定額,指電機按銘牌數(shù)值工作時可以連續(xù)運行的時間和順序。定額分為連續(xù)定額、短時定額、斷續(xù)定額3種，例如銘牌上標(biāo)有“連續(xù)”，表示電機可不受時間限制連續(xù)運行。,10．溫升τN,表示電機允許發(fā)熱的限度。一般將環(huán)境溫度定為40℃。例如溫升80℃，則電機溫度不可超過80℃+40℃=120

22、℃，否則，電機就要縮短使用壽命。溫升限度取決于電機采用的絕緣材料。,11．額定效率ηN,電機在額定狀態(tài)工作時，輸出功率P2與輸入功率P1的百分比值。額定功率與額定電壓和額定電流的關(guān)系如下：直流電動機PN=UNINηN×10-3 Kw直流發(fā)電機PN=UNIN×10-3 kW,12．線端標(biāo)記,國產(chǎn)電動機出線端標(biāo)記,,銘牌上還標(biāo)有勵磁方式、額定勵磁電壓、額定勵磁電流和絕緣等級等參數(shù),5.2.6　直流電動機的分類,勵

23、磁方式：勵磁繞組和電樞繞組之間的連接方式1．他勵方式2．并勵方式3．串勵方式4．復(fù)勵方式,1．他勵方式,（a）他勵直流發(fā)電機 （b）他勵直流電動機圖5.27 他勵直流電機的勵磁方式,勵磁繞組單獨由其他直流電源供電的方式,勵磁繞組和電樞繞組無電路上的聯(lián)系Ia=I,I 負(fù)載電流,I 負(fù)載電流,勵磁電流If由獨立的直流電源供電，與電樞電流Ia無關(guān),2．并勵方式,發(fā)電機：勵磁電流由發(fā)電機自身提供，

24、Ia=I+If電動機：勵磁繞組與電樞繞組并接于同一外加電源，勵磁電流由外加電源提供，Ia=I－If,勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的方式,（a）并勵直流發(fā)電機 （b）并勵直流電動機圖5.28 并勵直流電機的勵磁方式,3．串勵方式,（a）串勵直流發(fā)電機 （b）串勵直流電動機圖5.29 串勵直流電機的勵磁方式,勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)再接通直流電源的方式,發(fā)電機：勵磁電流由發(fā)電機自

25、身提供電動機：勵磁繞組與電樞繞組串接于同一外加電源，勵磁電流由外加電源提供,勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)，Ia=I=If,4．復(fù)勵方式,（a）復(fù)勵直流發(fā)電機 （b）復(fù)勵直流電動機圖5.30 復(fù)勵直流電機的勵磁方式,差復(fù)勵：兩者磁勢方向相反積復(fù)勵：串勵繞組產(chǎn)生的磁勢與并勵磁勢方向相同,兩個勵磁繞組（一個和電樞并聯(lián)，一個和電樞串聯(lián)）的方式,直流電動機的主要種類、性能特點及典型應(yīng)用,5.2.7　直流電機主要系列,Z

26、4系列：一般用途的小型直流電動機；ZT系列：廣調(diào)速直流電動機；ZJ系列：精密機床用直流電動機；ZTD系列：電梯用直流電動機；ZZJ系列：起重冶金用直流電動機；ZD2、ZF2系列：中型直流電動機；ZQ系列：直流牽引電動機；Z-H系列：船用直流電動機；ZA系列：防爆安全用電動機；ZLJ系列：力矩直流電動機。,5.3.1　直流伺服電動機5.3.2　交流伺服電動機,5.3　伺服電動機,伺服電動機,自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的要

27、求：①無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象（控制電壓為零時，應(yīng)速自停）②大斜率的機械特性，寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行③線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性，以保精度④快速響應(yīng)性好（轉(zhuǎn)動噴量?。┓诸悾褐绷魉欧妱訖C和交流伺服電動機,任務(wù):將接收的電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度，以驅(qū)動控制對象,控制信號/控制電壓，可改變伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,5.3.1　直流伺服電動機,將輸入的直流電信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或角速度信號的裝置,適用于調(diào)速性能要求較高的場合：具有良好的啟動、制

28、動和調(diào)速性能，可以在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無極的調(diào)速。,（a）寬調(diào)速永磁 （b）SZ系列 圖5.31 直流伺服電動機實物圖,,1．直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)2．直流伺服電動機的工作原理3．直流伺服電動機的主要特性4．直流伺服電動機的型號說明及選用原則5．直流伺服電動機的調(diào)速,1．直流伺服電動機的結(jié)構(gòu),（a）電磁式

29、 （b）永磁式圖5.32 直流伺服電動機剖圖面,在定子的勵磁繞組上用直流電流進行勵磁,永久磁鐵作磁極（省去了勵磁繞組）,2．直流伺服電動機的工作原理,他勵式：當(dāng)分別給勵磁繞組和電樞繞組通電，勵磁繞組中的勵磁電流If，在氣隙中建立磁通Ф，Ф與電樞電流Ia相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T。當(dāng)If或Ia為零時， T為零，電動機停轉(zhuǎn)。,圖5.33 電樞控制的直流伺服電動機接線圖,將輸入的直流電信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或角速度信號的

30、裝置,控制方式：電樞控制、磁場控制,3．直流伺服電動機的主要特性,（1）機械特性（2）調(diào)節(jié)特性（3）空載始動電壓（4）機電時間常數(shù),（1）機械特性,① 是線性的；② 控制電壓U一定時，n越高，T越?。虎?U為不同值時，特性為一族平行線；④ 機械特性線性度越高，系統(tǒng)啟動誤差越小。,圖5.34 直流伺服電動機的機械特性,指勵磁電壓Uf恒定、電樞繞組上的控制電壓Uc為定值時，伺服電動機轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的函數(shù)關(guān)系，即n=?

31、(T）,信號系數(shù),轉(zhuǎn)速相對值,轉(zhuǎn)矩相對值,,,轉(zhuǎn)速基值,轉(zhuǎn)矩基值,（2）調(diào)節(jié)特性,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，控制電壓Uc大，n就高，成正比當(dāng)Uc=0時，n=0，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,在一定勵磁條件下，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩T恒定時，伺服電動機轉(zhuǎn)速n隨控制系數(shù)a變化關(guān)系，即與電樞的控制電壓Uc的變化關(guān)系，即 n=?（a）,在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時電動機的啟動電壓,某一負(fù)載轉(zhuǎn)矩時伺服電動機的失靈區(qū),（3）空載始動電壓,Us0：在空載和一定勵磁條件下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)旋

32、轉(zhuǎn)所需的最小控制電壓。Us0一般為額定電壓UN的2%~１2%。小機座號，低電壓的電動機Us0較大。 Us0小表示伺服電動機的靈敏度高。,（4）機電時間常數(shù),電動機在空載和額定的勵磁電壓下，加以階躍的額定控制電壓，轉(zhuǎn)速從零升到空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需時間稱為機電時間常數(shù)，用τj表示。一般τj＜0.03s，τj小，可提高系統(tǒng)快速性。,4．直流伺服電動機的型號說明及選用原則,,型號,分類：,有刷電動機：成本低、結(jié)構(gòu)簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速

33、范圍寬，但是需要維護（換碳刷），適用于精度要求不高的場合；無刷電動機：體積小、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定，但是控制方法比較復(fù)雜，適用于控制精度要求高、需要實現(xiàn)智能化控制的場合。電機選擇，要注意選擇電機的額定電壓、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速機及座號等參數(shù)，并確定其型號。對于特殊用途電機還要注明使用條件和特殊要求等。,5．直流伺服電動機的調(diào)速,速度控制單元控制電機運轉(zhuǎn)，其性能直接決定了電機的運行性能。從主回路的類型分：晶閘管相控整流器和大功

34、率晶體管斬波器（ PWM調(diào)速單元）兩種。PWM——pulse width modu1ation脈沖寬度調(diào)制,圖5.36 電動機電樞兩端PWM脈沖電壓,利用大功率晶體管作為斬波器，其電源為直流固定電壓，開關(guān)頻率也為常值，根據(jù)控制信號的大小來改變每一周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時間長短，即改變“接通”脈寬，使直流電動機電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變其平均電壓，完成電動機的轉(zhuǎn)速控制。,直流PWM調(diào)速的基本原理,脈沖寬度,脈沖的幅值,周

35、期,直流PWM調(diào)速的基本原理,ud≈E 因為 得,,,,電樞兩端電壓u（t）的平均值（直流分量）,電樞回路靜態(tài)方程式（忽略電樞內(nèi)阻Ra上的壓降）,反電動勢,電動機電磁結(jié)構(gòu)常數(shù),勵磁電通,n與脈沖寬度S成正比 控制S，可控制轉(zhuǎn)速,5.3.2　交流伺服電動機,直流伺服電動機：良好的啟動、制動和調(diào)速特性能，可以很方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無極調(diào)

36、速缺點：電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使直流伺服電動機的最高速度受到限制，同時也使應(yīng)用環(huán)境受到限制。,圖5.37 交流伺服電動機的實物圖,轉(zhuǎn)子慣量小，動態(tài)響應(yīng)更好，應(yīng)用于穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快的場合,,1．交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)2．交流伺服電動機的工作原理3．交流伺服電動機的主要特性4．交流伺服電動機的型號說明及選用原則5．交流伺服電動機在機床進給伺服中的應(yīng)用,1．交流伺服電動機的結(jié)構(gòu),（a）空心杯轉(zhuǎn)

37、子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)剖面圖 （b）杯形轉(zhuǎn)子截面圖圖5.38 交流伺服電動機結(jié)構(gòu)示意圖,空心杯轉(zhuǎn)子,定子繞組,外定子鐵心,內(nèi)定子鐵心,機殼,端蓋,實際為兩相異步電動機,兩相繞組,內(nèi)定子鐵心,空心杯轉(zhuǎn)子,定子繞組,外定子鐵心,定子,與異步電動機類似。定子槽內(nèi)嵌有在空間相距90°電角度的兩相繞組。一相作為勵磁繞組Nf，工作時接至交流勵磁電源Uf上；另一相作為控制繞組Nc，輸入同頻率的交流控制電壓Uc。,轉(zhuǎn)子（兩種結(jié)構(gòu)形式）

38、,（1）籠型轉(zhuǎn)子與三相異步電動機的籠型轉(zhuǎn)子相似，其籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條采用高電阻率的導(dǎo)電材料制造；且電動機做成細(xì)長型，以減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。（2）空心杯轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料（如銅、鋁或鋁合金）制成。在電機旋轉(zhuǎn)磁場作用下，杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使杯形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。,2．交流伺服電動機的工作原理,勵磁繞組接到Uf（勵磁電壓）上，控制繞組加上UC（控制電壓）上，調(diào)節(jié)控制電流If與勵磁電流IC

39、的相位和幅值，則形成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，帶動電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。,圖5.39 交流伺服電動機原理圖,與單相異步電動機相似,交流伺服驅(qū)動器的控制方式（3種 ）,（1）幅值控制（2）相位控制（3）幅值—相位控制,（1）幅值控制,Uc與Uf的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距最大。,圖5.40 幅值控制原理圖,Uc小于Uf的幅值時，所

40、建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機轉(zhuǎn)速越慢。,通過改變控制電壓UC的大小來控制電機轉(zhuǎn)速,（2）相位控制,將勵磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經(jīng)移相器（改變Uc相位）后接到同一交流電壓上，Uc與Uf的頻率相同，改變Uc與Uf相位差的大小，可以改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。,改變Uc與Uf之間的相位差來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，而Uc的幅值保持不變,圖5.41 相位控制原理圖,（3）幅值—相位控制,當(dāng)Uc的幅值改變時，轉(zhuǎn)

41、子繞組的耦合作用，使勵磁繞組的電流 If也變化，從而使勵磁繞組上的電壓Uf及電容C上的電壓也跟隨改變，Uc與Uf的相位差也隨之改變，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。,圖5.42 幅值－相位控制原理圖,勵磁繞組串接電容C后再接到交流電源上,線路簡單，只需電容進行分相，成本低廉、輸出功率較大應(yīng)用最多,3．交流伺服電動機的主要特性,（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅值—相位控制,1）交流伺服電動機的機

42、械特性,繞組折算后的信號系數(shù),Uc與Uf的相位差角β的正弦值,（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅值—相位控制,2）交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性,主要特性,1）非線性 2）轉(zhuǎn)速越高，電磁轉(zhuǎn)矩越小 3）控制信號越小，轉(zhuǎn)速越低，有失靈區(qū),3種控制方式的比較表,4．交流伺服電動機的型號說明及選用原則,,,5．交流伺服電動機在機床進給伺服中的應(yīng)用,圖5.45 位置、速度、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖,

43、永磁同步交流伺服系統(tǒng)：模擬、數(shù)字和軟件伺服形式,5.4　步進電動機,5.4.1　步進電動機的工作原理5.4.2　步進電動機的結(jié)構(gòu)5.4.3　步進電動機的特性5.4.4　步進電動機的分類及型號說明5.4.5　步進電動機的應(yīng)用實例,130BYG二相混合式步進電機,用電脈沖信號進行控制，并將此信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動機。,5.4.1　步進電動機的工作原理,分類：反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式（混合式）,圖5.47 三相反應(yīng)

44、式步進電動機的工作原理,步進電動機工作時，每相繞組由專門的驅(qū)動電源通過“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電，每來一個電脈沖，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度。,,（a）A 相通電 （b）B相通電 （c）C相通電圖5.48 反應(yīng)式步進電動機旋轉(zhuǎn)示意圖,結(jié)論：電動機轉(zhuǎn)子的位置和速度由脈沖數(shù)和頻率決定；而轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向由通電順序決定。,5.4.2　步進電動機的結(jié)構(gòu),主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，均由磁

45、性材料構(gòu)成，分別有6個、4個磁極等。定子的6個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。,定子繞組,定子,永磁體,轉(zhuǎn)子,端蓋,5.4.3　步進電動機的特性,（1）步距角（2）轉(zhuǎn)速（3）自鎖能力,（1）步距角,步進電動機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,（2）轉(zhuǎn)速,每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)過因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)即轉(zhuǎn)速為,,,（3）自鎖能力,當(dāng)控制脈沖停止輸入，而使最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電動機可以保持在固定位置。,5.4.

46、4　步進電動機的分類及型號說明,1．通常按勵磁方式分為三大類2．步進電機的型號說明3．步進電動機的接線圖,1．通常按勵磁方式分為三大類,（1）反應(yīng)式轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定、轉(zhuǎn)子開小齒，應(yīng)用最廣泛。（2）永磁式轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)和每相定子極數(shù)相同，不開小齒，步距角較大，力矩較大。（3）混合式轉(zhuǎn)子為永磁式開小齒?；旌鲜降膬?yōu)點：轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。,2．步進電機的型號說明,,3．步進電

47、動機的接線圖,（a） （b）圖5.50 二相混合式步進電機的接線圖,5.4.5　步進電動機的應(yīng)用實例,圖5.51 步進電動機開環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖,采用脈沖信號控制的方法，通過改變脈沖頻率的高低，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)快速啟動、制動、反轉(zhuǎn)，而且具有自鎖能力，不需要機械制動裝置，主要用于精度要求高、運行可靠的數(shù)字控制系統(tǒng)中

48、,步進電動機驅(qū)動控制實例,（1）電氣性能指標(biāo)（2）功能及使用（3）輸入信號（4）輸出信號（5）外部指示燈（6）SH-22206型驅(qū)動器與步進電機的接線圖,SH-22206 型驅(qū)動器,主要用于驅(qū)動機座號為110/130的兩相（或四相）混合式步進電動機。,（1）電氣性能指標(biāo),SH-22206型驅(qū)動器的電氣性能指標(biāo)（環(huán)境溫度25℃）,（2）功能及使用,① 電源電壓② 整步及改善半步運行模式③ 雙脈沖及單脈沖控制模式④ 脫機（F

49、REE）功能⑤ 過流保護⑥ 過壓保護⑦ 試機功能,（3）輸入信號,① 正轉(zhuǎn)脈沖信號② 反轉(zhuǎn)脈沖信號③ 脫機信號,（4）輸出信號,① 零位信號輸出② 故障信號輸出,（5）外部指示燈,① 電源指示燈（綠色）② 零位信號指示燈（綠色）③ 脫機指示燈（綠色）④ 故障指示燈（紅色）⑤ 高壓電容充電指示燈（紅色）,（6）SH-22206型驅(qū)動器與步進電機的接線圖,,,,5.5　檢測電機,5.5.1　測速發(fā)電機5.5.2　旋轉(zhuǎn)變

50、壓器,檢測電動機的旋轉(zhuǎn)速度或檢測電動機所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，以獲得電動機所拖動的直線位移量,5.5.1　測速發(fā)電機,測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比例關(guān)系 U = k n自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的主要要求：① 輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系并保持穩(wěn)定（不受外界影響）。② 輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏，即測速發(fā)電機的輸出特性U =?（n）斜率要大。③ 轉(zhuǎn)速的測量應(yīng)不影響被測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，即測速發(fā)電機的

51、轉(zhuǎn)動慣量要小，響應(yīng)要快。,一種測量轉(zhuǎn)速的電機：將輸入的機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。,k 比例系數(shù),按輸出電壓的不同，分為交流和直流兩大類。,1．交流測速發(fā)電機,空心杯型測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)與空心杯型交流伺服電動機一樣，也是由外定子、空心杯轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子3部分組成。,有同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩類。交流空心杯型測速發(fā)電機,圖5.54 交流異步測速發(fā)電機原理圖,相互垂直,外定子,接單相交流電源,輸出交流電壓,無數(shù)條并聯(lián)的導(dǎo)體組成,測速發(fā)

52、電機的重要特性是輸出特性,圖5.55 異步測速發(fā)電機輸出特性,輸出特性在理想情況下為直線，實際上輸出特性并不是平穩(wěn)的線性關(guān)系，如Ф1的變化，就將破壞輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系，當(dāng)然，還有一些其他因素。,2．直流測速發(fā)電機,直流電流If，在氣隙中建立恒定磁場Ф。當(dāng)被測件以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，測速發(fā)電機電樞也同速旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割氣隙中的Ф，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea。,微型直流發(fā)電機按勵磁方式分為：電磁式和永磁式,圖5.56 直流測速發(fā)電

53、機原理接線圖,若測速發(fā)電機空載運行，電刷兩端的輸出電壓Uo=Ea，即Uo=Ea=CeФn,,若測速發(fā)電機空載運行，電刷兩端的輸出電壓Uo=Ea，即Uo=Ea=CeФn 當(dāng)測速發(fā)電機接上負(fù)載電阻RL時，其輸出電壓U為U = Ea?Ia Ra得,,測速發(fā)電機的輸出特性U=?（n）,注意：① 負(fù)載電阻RL應(yīng)盡可能取大些（靈敏度高）；② 注意最高轉(zhuǎn)速是否與被測件轉(zhuǎn)速相符，避免被測機構(gòu)轉(zhuǎn)速超出測速發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速，出現(xiàn)測量誤差。

54、,圖5.57 直流測速發(fā)電機的輸出特性,RL減小，靈敏度降低,5.5.2　旋轉(zhuǎn)變壓器,結(jié)構(gòu)與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機相似，定子、轉(zhuǎn)子上分別安置著兩個在空間上相互垂直的繞組。轉(zhuǎn)子繞組的輸出通過集電環(huán)和電刷引出。按輸出分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和線性旋轉(zhuǎn)變壓器兩種。,輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的控制電機,,1．正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器,,圖5.58 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖,UR1 = kuUs1 cosθ UR2 = kuUs1 sinθ可

55、以看成一次繞組與二次繞組之間的電磁耦合程度隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化而變化的變壓器。,余弦繞組,正弦繞組,使用時應(yīng)注意：,① 正余弦繞組的負(fù)載阻抗盡量相等；② 定子繞組S2-S4自行短接，以補償（抵消）由于負(fù)載電流引起的與磁通勢Fs1相垂直會引起輸出電壓畸變的磁通勢，因此S2-S4繞組也稱為補償繞組。,2．線性旋轉(zhuǎn)變壓器,圖5.59 線性旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖,利用正弦輸出繞組的輸出電壓UR2 = kuUs1 sinθ，當(dāng)θ角很小時，sinθ≈

56、θ，則UR2 ≈kuUs1θ，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系,,當(dāng)ku取值為0.56~0.6時，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ在±60°范圍內(nèi)與輸出電壓呈良好的線性關(guān)系,單相異步電動機、直流電機、伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要類型、啟動方法等。,,本 章 小 結(jié),習(xí) 題 5,1．對于一臺單相異步電動機若不采取措施，啟動轉(zhuǎn)矩為什么為零?當(dāng)給電動機轉(zhuǎn)子一個外力矩時，電動機為什么就向該力矩方向旋

57、轉(zhuǎn)?2．簡述單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)。3．單相異步電動機分為哪幾種類型?4．罩極式單相異步電動機主要有哪些用途?5．電容啟動電動機與電容式電動機有什么區(qū)別?6．簡述單相罩極式異步電動機啟動原理。7．簡述直流電機的基本結(jié)構(gòu)。,,8．直流電機由哪些主要部件組成？各起什么作用?用什么材料制成?9．直流電機的銘牌數(shù)據(jù)含義是什么?10．三相異步電動機斷了一根電源線后，為什么不能啟動?而在運行時斷了一根，為什么仍能繼續(xù)轉(zhuǎn)動?轉(zhuǎn)動情況

58、如何?11．一臺三相異步電動機（星型接法）發(fā)生一相斷線時，相當(dāng)于一臺單相電動機，若電動機原來在輕載或重載運轉(zhuǎn)，在此情況下還能繼續(xù)運轉(zhuǎn)嗎？為什么?當(dāng)停機后，能否再啟動?,,12．永磁式和他勵式直流伺服電動機有什么區(qū)別？13．伺服電動機的作用是什么?直流伺服電動機的調(diào)速方法是什么？14．交流伺服電機有哪幾種控制方式？15．為什么交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻要相當(dāng)大?單相異步電動機從結(jié)構(gòu)上與交流伺服電動機相似，可否代用?16．直流伺服電

59、動機常用什么控制方式?為什么?,,17．當(dāng)直流伺服電動機勵磁電壓和控制電壓不變時，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，試問此時的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速將如何變化?若負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小不變，調(diào)節(jié)控制電壓增大，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速又將如何變化?18．交流伺服電動機的控制方式有哪幾種?如何改變交流伺服電動機的旋轉(zhuǎn)方向?19．交流伺服電動機的銘牌參數(shù)有哪些？20．步進電動機的工作原理是什么？步進電動機有哪些特點？,,21．一臺三相六極反應(yīng)式步進電機步距角為3°,若控制

60、脈沖頻率為2000Hz，其轉(zhuǎn)速是多少？22．測速發(fā)電機的作用是什么?23．為什么直流測速發(fā)電機使用時，轉(zhuǎn)速不宜超過規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速?負(fù)載電阻也不能小于規(guī)定值?24．步進電動機的作用是什么?,,25．什么叫步進電動機的步距角?步距角的大小由哪些因素決定?26．步距角為1.5°/0.75°的三相六極步進電動機的轉(zhuǎn)子有多少個齒?若脈沖電源的頻率為2000Hz，步進電動機的轉(zhuǎn)速是多少?27．旋轉(zhuǎn)變壓器是怎樣的一種控制