機械電子學(xué)-電機（8-10章）.ppt

1、第八章 直流電動機,與交流電動機相比，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護不如交流異步機方便，而且要使用直流電源。,直流電動機的構(gòu)造,極掌,極心,勵磁繞組,機座,轉(zhuǎn)子,直流電動機的磁極和磁路,直流電機由定 子(磁極)、轉(zhuǎn)子 (電樞)和機座等 部分構(gòu)成。,8.1 直流電機概述,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：,勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電 產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。,8.1 直流電機概述,根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵磁式的直流電機又可細分為：,他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。,并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。,串勵

2、電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。,復(fù)勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。,8.1 直流電機概述,工作原理,電刷,集電環(huán),8.1 直流電機概述,觀看工作過程演示,8.1 直流電機概述,汽車用起動機由直流電動機、傳動機構(gòu)、控制裝置三部分組成。,8.2 直流電機調(diào)速,1. 調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速(注：交流異步電機改變極對數(shù)調(diào)速的方法叫有級調(diào)速)。 2. 調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達200 以上(調(diào)速比等 于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）,因此機械變速 所用的齒輪箱可大大簡化。,主要優(yōu)點：,由轉(zhuǎn)速公式:,可見直流電機調(diào)速方法有三種。,8.2 直流電機調(diào)速,可見：在U 一

3、定的情況下，改變可改變轉(zhuǎn)速n 。,改變磁通調(diào)速,保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流If (調(diào)Rf)以改變磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用減少勵磁電流(減弱磁通)的方法調(diào)速, 即：,改變磁通調(diào)速的方法：,減小磁通，n只能上調(diào)。,改變時的機械特性如圖。,(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受 機械本身強度所限，n不能太高。 (2) 調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。 (3) 機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 (4) 對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其調(diào)速幅度可達, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,減小 調(diào)速的特點：,(1) 若調(diào)速后 Ia 保持不變，電動機

4、在高速運轉(zhuǎn)時其負載轉(zhuǎn)矩必須減小。 (2) 這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機 床)。,使用調(diào)磁調(diào)速時應(yīng)注意：,8.2 直流電機調(diào)速,8.2 直流電機調(diào)速,改變電壓調(diào)速,由轉(zhuǎn)速公式知： 調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。,(3)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。,(4)調(diào)速幅度較大。,調(diào)速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。,8.2 直流電機調(diào)速,改變電壓調(diào)速的特點:,(1)工作時電壓不允許超過UN ，而n U, 所以調(diào)速只能

5、向下調(diào)。,(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。,電樞回路串電阻調(diào)速,電樞中串入電阻,使 n 、 n0不變，即電機的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n。特性曲線如圖。,電樞回路串電阻調(diào)速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉(zhuǎn)速下降，因此 n 只能下調(diào)。,特點：(1) 設(shè)備簡單，操作方便。,(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。,(3)能量損耗大，只用于小型直流機。,8.2 直流電機調(diào)速,一、直流電動機的起動 1、對起動性能的要求： Tst足夠大 Ist盡量?。ㄐ∮谠试S值）,8.3 直流電機的起動和制動,直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。,8.3 直流電機的起動和制動,Ias

6、t太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；,起動時,n =0 ,2. 起動問題：,(1) 起動電流大,(2) 起動轉(zhuǎn)矩大,起動時，起動轉(zhuǎn)矩為(1020)TN , 造成機械沖擊，使傳動機構(gòu)遭受損壞。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,(1) 電樞串電阻起動法,(2) 降壓起動法：,直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,最大起動電壓Ust為,3.起動方法,8.3 直流電機的起動和制動,4.注意事項,(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KT Ia

7、) , 電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流 很大，電樞繞組有被燒壞的危險。,(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢 E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。,(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴(yán)重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。,（ E Ia T T0 n飛車）,8.3 直流電機的起動和制動,二、直流電動機的制動（電磁制動） 一般保持原磁場大小，方向不變。 能耗制動 反接制動 回饋制動,8.3 直流電機的起動和制動,8.3 直流電機的反轉(zhuǎn),例：串勵的

8、單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流兩者的方向同時改變時而轉(zhuǎn)向不變的原理，采用特別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。,電磁轉(zhuǎn)矩：T=KT Ia,(1) 改變勵磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。,改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：,8.4 直流電機的驅(qū)動,一. 直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計目標(biāo) 在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點： 功能： 電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？ 對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可；當(dāng)電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者

9、使用一個雙刀雙擲的繼電器。 需不需要調(diào)速？ 如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。,8.4 直流電機的驅(qū)動,性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)。 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。 2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。 3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電

10、路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。 4）對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。 5）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。,8.4 直流電機的驅(qū)動,一. 低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動,8.4 直流電機的驅(qū)動,二. 三極管-電阻作柵極驅(qū)動,8.4 直流電機的驅(qū)動,三. 其它幾種驅(qū)動電路,1.繼電器半導(dǎo)體功率器件 繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點，可以大大簡化驅(qū)動電路的設(shè)計。在需要實現(xiàn)調(diào)速的電機驅(qū)動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機轉(zhuǎn)向

11、，而用單個的特大電流場效應(yīng)管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實現(xiàn)PWM調(diào)速,如下右圖所示。這樣是實現(xiàn)特別大電流驅(qū)動的一個方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖,線圈接線如下中圖：,8.4 直流電機的驅(qū)動,三. 其它幾種驅(qū)動電路,1.繼電器半導(dǎo)體功率器件,8.4 直流電機的驅(qū)動,三. 其它幾種驅(qū)動電路,2. 幾種驅(qū)動芯片 L298參考 A3952參考 A3940參考 L6203參考 ,直流電機的銘牌數(shù)據(jù),額定值 是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額

12、定值也是制造廠和用戶進行產(chǎn)品設(shè)計或試驗的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。,8.5 直流電機的額定值,額定功率 PN指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 對于直流電機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在。PNUNINN,8.5 直流電機的額定值,直流電機的銘牌數(shù)據(jù),額定電壓 UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流 IN指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉(zhuǎn)速 nN指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/mi

13、n為量綱單位。 額定勵磁電流 If指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。,8.5 直流電機的額定值,交流電動機,電動機,直流電動機,他勵、異勵、串勵、復(fù)勵,第九章 交流電動機驅(qū)動,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1.1 三相異步機的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子：在旋轉(zhuǎn)磁場作用下， 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或 電流。,三相定子繞組：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場。,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),定子鐵芯:是電機磁路的一部分，定子鐵芯內(nèi)圓上均勻開有槽，安放定子繞組。 機座:是用作固定與支撐定子鐵芯。 定子繞組:是電機電路部分，它由三個在空間相差120電角度、結(jié)構(gòu)相同的繞組連接而成，按一定規(guī)律嵌放在定子槽中。 繞組分類：單層繞組和雙層繞組。 繞組

14、應(yīng)用：單層繞組一般用在10kV以下的電機，雙層短距繞組用在較大容量的電機中。,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),極距是指每一磁極所占定子內(nèi)圓周的距離，即有 節(jié)距y是指線圈兩有效邊之間的距離。單層繞組是整距繞組，即有y= 每極每相槽數(shù)q是指一個磁極下一相繞組所占有的槽數(shù)，即有：,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),相帶：是指一相繞組在一個磁極下連續(xù)所占的范圍。 機械角：電機圓周空間角度為360或為2弧度，稱這種角度為機械角。對于一對磁極由NSN變化一周相當(dāng)于360電角度或為2電弧度。當(dāng)電機有p對磁極時，電角度=p機械角。 分析：每一磁極占180電角度，三相繞組的每相繞組在一個極下只占三分之一，即60相帶。

15、,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1.2 交流電動機的基本工作原理: 工作時定子輸入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的磁極將轉(zhuǎn)子的異性磁極吸引，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),定子三相繞組通入三 相交流電(星形聯(lián)接),9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1.2 三相異步電動機的工作原理,e方向用 右手定則 確定,f方向用 左手定則 確定,磁場旋轉(zhuǎn),9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),磁極旋轉(zhuǎn),導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,導(dǎo)線長,切割速度,（右手定則）,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),2. 線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子是閉合線圈,轉(zhuǎn)子

16、是固定磁極,同步電動機在結(jié)構(gòu)上比異步機復(fù)雜，但比直流機簡單。和同容量的直流機相比，它具有效率高，過載能力大，體積小，轉(zhuǎn)動慣量小，等優(yōu)點，并可做到大容量、高電壓、高轉(zhuǎn)速。和異步電動機調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、效率高、控制性能好等優(yōu)點。,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),同步調(diào)速系統(tǒng)的缺點,（1）同步機需在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵磁裝置，其維護量增加。,（2）同步機的控制比異步機的復(fù)雜。,電動機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系,電動機轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）:,提示：如果,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),9.1.3 交流電動機的轉(zhuǎn)速 同步電機在運行時，其轉(zhuǎn)速n1與定子繞組中電

17、網(wǎng)頻率f1之間有著嚴(yán)格的關(guān)系，即： n1為同步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，也是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，故稱它為同步電機。,轉(zhuǎn)差率 的概念：,異步電機運行中:,轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差。即：,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),異步電機在運行時：,9.1 交流電動機原理和結(jié)構(gòu),一、三相異步機的起動方法：,（1） 直接起動。二三十千瓦以下的異步電動機一般 采用直接起動。,（3）轉(zhuǎn)子串電阻起動。,9.2 交流電動機運動控制,直接起動 優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作方便； 缺點：起動電流大，須足夠大的電源； 適用條件：小容量電動機帶輕載的情況起動。 降壓起動 如果電源容量不夠大，可采用降壓起動。即起動時，降低加在電

18、動機定子繞組電壓，起動時電壓小于額定電壓，待電動機轉(zhuǎn)速上升到一定數(shù)值后，再使電動機承受額定電壓，可限制起動電流。,9.2 交流電動機運動控制,僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結(jié)的電機。,Y 換接起動適合于空載或輕載起動的場合,9.2 交流電動機運動控制,方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。,二、三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn),9.2 交流電動機運動控制,1. 抱閘：加機械抱閘,三、 三相異步電動機的制動,3. 能耗制動,4.發(fā)電反饋制動,2. 反接制動： 停車時，將電動機接電源的意兩相反接， 使電動機由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來，以達 制動的目的；,9.2 交流電動機運動控制,四、三相異步電動機的調(diào)速

19、,9.2 交流電動機運動控制,3. 改變電源頻率 (變頻調(diào)速) 無級調(diào)速,此種調(diào)速方法發(fā)展很快，且調(diào)速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。,9.2 交流電動機運動控制,9.3 變頻調(diào)速,變頻調(diào)速技術(shù)于80年代初開始在國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用，它最典型的應(yīng)用是在電機節(jié)能領(lǐng)域。在發(fā)達國家，變頻器在電機上運用的普及率已達到80%以上。據(jù)統(tǒng)計，法國每一美元國民生產(chǎn)總值的能耗為8.719KJ，日本為9.797KJ，而中國卻高達43.394KJ。據(jù)日本科學(xué)技術(shù)資源廳調(diào)查會推薦，日本如果在全國采用變頻調(diào)速器可節(jié)約日本總電力的10%。,9.3 變頻調(diào)速,我國國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)約綜合利用司在1996年

20、就曾組織國內(nèi)20多名專家編寫風(fēng)機水泵節(jié)能改造指南一書，2000年7月國家計委又組織上海江蘇兩省市節(jié)能機構(gòu)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)。在應(yīng)用方面，遼河油田采用變頻技術(shù)，安裝了25臺變頻器1818.2KW，年節(jié)約電能約602萬度，平均節(jié)電率在35%以上。近兩年來，隨著變頻器在恒壓供水、紡織、機車空調(diào)、家電行業(yè)、注塑行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用所取得的節(jié)電效益，變頻器在中國已邁入一個飛速發(fā)展和推廣普及的嶄新時代。,9.3 變頻調(diào)速,當(dāng)前，電機是我國最主要的耗電機電設(shè)備，它約占企業(yè)整體耗電量的50%左右，而對于每一個生產(chǎn)性企業(yè)而言，電費在運作成本中所在比率約為20-50%。因此，如何節(jié)約電能，降低成本，提高生產(chǎn)效益和企

21、業(yè)競爭力，是每個企業(yè)家所特別關(guān)注的問題,9.3 變頻調(diào)速,變頻調(diào)速方法,頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5幾百赫茲,9.4 變頻調(diào)速原理,根據(jù),9.4 變頻調(diào)速原理,各類電力電子器件,類型,不可控器件,代號,名稱,全控器件,半控器件,電流控器件,場控器件,功率集成電路,D,整流二極管（Diode),Th、SCR,晶閘管（Thyristor),BJT,雙極型晶體管（Bipolar Transistor),GTO,門極關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-off),P-MOSFET,電力場效應(yīng)晶體管,IGBT,絕緣柵雙極型晶體管,MCT,場控晶閘管,PIC,功率集成電路,1.交直交變頻調(diào)速帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻調(diào)速 2

22、.交交變頻調(diào)速不帶直流環(huán)節(jié)的直接變頻調(diào)速,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,-,-,脈沖寬度調(diào)制型,晶閘管直流開關(guān),相位控制晶閘管整流,調(diào)壓方式,電流型,電壓型,直流電源型式,通電型）,帶輔助晶閘管（,通電型）,帶輔助晶閘管（,串級二極管式,串級電感式,換流電路,交變頻調(diào)速,直,交,120,180,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,l電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng),9.4.2 交直交變頻調(diào)速,1.主電路 整流器、逆變器（逆變電路和換流電路）和電容（中間環(huán)節(jié)、濾波）。,2.逆變器的換流原理 工作方式180o、120o 通電型。 以單相為例，C預(yù)充電 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通階段 開始換流階段 振蕩換流階段

23、振蕩衰減階段 反饋階段 換流結(jié)束階段。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,1) VS1、VS2主晶閘管，VS1、VS2 輔助換流晶閘管，作為LC振蕩電路的充放電開關(guān)。 2) 通過觸發(fā)VS1、VS2，反向關(guān)斷VS1、VS2。 3) 通過LC串聯(lián)諧振電路中的電流反向，關(guān)斷VS1、VS2。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,l電流型變頻調(diào)速系統(tǒng),1.主電路 整流器、逆變器和直流濾波電抗器（中間環(huán)節(jié)）。 l 常用串聯(lián)二極管式逆變電路。 l電抗器濾波，輸出電流較平直，為矩形波。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,2.強迫換向電路 1)C為換向電容，V為隔離二極管，與主晶閘管串聯(lián)。 2)換流電路為120o導(dǎo)電型，同一相兩只

24、SCR同時導(dǎo)通，脈沖間隔（相位差）為180o。 3)兩只相鄰SCR，脈沖間隔為60o（正轉(zhuǎn)時觸發(fā)VS1、2、3、4、5、6、1，反轉(zhuǎn)時觸發(fā)VS6、5、4、3、2、1、6）。 4)兩相輪流導(dǎo)通，脈沖間隔為120o（1-3-5或2-4-6）。,注： l 電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用電容濾波，電源阻抗很小，類似電壓源。 l 電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用電抗器濾波，電源阻抗很大，類似電流源。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,l差別： 1.電流型直流側(cè)采用大電感L濾波（而形成直流源）。 2.三相整流橋、逆變器的交流側(cè)輸入電流都為120o方波交流電流。 3. L有保護性能，抑制故障電流上升。 4. 逆變橋內(nèi)無電感，簡

25、化主回路。 5. 整流橋和逆變橋方向不變（反饋二極管橋不與逆變橋反并聯(lián)）。 6. 整流橋和逆變橋的直流電壓同時反號，能量返送交流電網(wǎng)，系統(tǒng)可再生。 7. 適用于頻繁加減速和變動負載的場合。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,一般采用電壓型逆變器。 1.種類 1)變幅PWM型變頻器（直流電壓可變） l 整流器晶閘管整流器，用來調(diào)壓； l 逆變器用來調(diào)頻（輸出頻率）。 2)恒幅PWM型變頻器（直流電壓恒定） l 整流器二極管整流橋； l逆變器輸入恒定的直流電壓，調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度和頻率（實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻）。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3)特點： l 電路簡單； l 調(diào)節(jié)速度快； l

26、 動態(tài)響應(yīng)好。,注： a) 改變調(diào)制周期改變輸出頻率。 b) 調(diào)制方法：單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。 c)按載波信號 和參考信號 頻率之間的關(guān)系分為：同步式調(diào)制和非同步式調(diào)制。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,2.單極性正弦波脈寬調(diào)制法,1)正弦波 與三角波 相交，得到一組幅值 、寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。 2)矩形脈沖作為逆變器各開關(guān)元件的控制信號。這一組矩形脈沖可用正弦波（虛線）等效。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3)輸出電壓的大小和頻率由 （正弦參考電壓）控制。改變 幅值，就改變脈寬，從而改變輸出電壓大??；改變 頻率，就改變輸出電壓頻率。 4)正弦波最大幅

27、值必須小于三角波幅值。 基本恒定。 5)三角波和正弦波的頻率成正比例地改變，稱為同步式調(diào)制。,注：圖12.20所示的是單相脈寬調(diào)制波。 對于三相逆變器，載頻三角波可共用，必須有一個三相可變頻變幅的正弦波發(fā)生器，兩者相比較，產(chǎn)生三相脈沖調(diào)制波。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3.準(zhǔn)正弦波脈寬調(diào)制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)（SPWM）,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）, 輸入脈沖列 載波信號 階梯波 脈寬調(diào)制波形 監(jiān)相波形 最后調(diào)制波形 逆變器輸出波形,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,4.適用場合（特點） 1)實現(xiàn)平滑啟

28、動、停車； 2)高效率、寬范圍調(diào)速； 3)作為異步電動機變頻調(diào)速的供電電源。,注：采用高速開關(guān)元件，逆變器輸出脈沖增多， 在輸出低頻時，輸出波形較好。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,1.用途 l交流電動機調(diào)速； l變頻交流電源。,注：單相交流電 三相（或兩相）交流電； 高頻電源 低頻電源。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,2. 單相單相（直接變頻電路）的交交變頻原理,9.4.4 交交變頻調(diào)速,1)共陰極法主電路（VS1、VS3），則得到上正下負的輸出電壓。 2)共陽極法主電路（VS2、VS4），則得到上負下正的輸出電壓。 3)兩組反并聯(lián)的可控整流電路，則得到如圖12.24所示的交變電

29、壓，其值由SCR控制角來控制。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,3.輸出電壓波形方波型、正弦波型 1)三相方波型交交變頻器（主電路）,9.4.4 交交變頻調(diào)速,l每相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電 路組成。 （、為正組） （、為反組） l各組導(dǎo)通角為T/3（T為周期），每組依次相隔T/6導(dǎo)通。 l同一時刻有一個正組和一個反組同時導(dǎo)通。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,2)正弦型交交變頻器用于異步電動機調(diào)速 l 由兩組反并聯(lián)的可控整流器組成。 l不斷調(diào)制 角，使輸出平均電壓為正弦波（與直流可逆系統(tǒng)不同之處）。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,4.與交直交變頻調(diào)速相比 1)優(yōu)點： l 節(jié)省中間換流環(huán)節(jié)，效率高； l低

30、頻波形較好，諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動大大減小。 2)缺點： l主回路元件較多； l最高頻率受電網(wǎng)頻率限制。 3)適用場合低速、大容量的場合。如球磨機、礦井提升機等。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,9.4.5 變頻器 控制實例,轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f指令值，同時經(jīng)過適當(dāng)分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定。,采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖,交流異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。,各種控制電機有各自的控制任務(wù)： 如: 伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象；測速發(fā)電機將轉(zhuǎn)速

31、轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。,控制電機的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。,控制電機的種類很多，常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。,對控制電機的主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、 重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。,第十章 伺服電動機,第十章 伺服電動機,伺服電動機可分為兩類：,伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動控制對象。,伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控 制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。,交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差

32、90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。,勵磁繞組,控制繞組,杯形轉(zhuǎn)子,內(nèi)定子,交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖,10.1 交流伺服電動機,勵磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。,適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。,交流伺服電動機的接線圖和相量圖:,(a）接線圖,10.1 交流伺服電動機,控制電壓 與電源電壓 頻率相同，相位相同或反相。,交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。,勵磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時，電機無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。,10.1 交流伺服電動機,加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，

33、由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。,加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。,不同控制電壓下的機械特性曲線 n=f(T), U1=常數(shù),交流伺服電動機的機械特性如圖所示。,10.1 交流伺服電動機,交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉(zhuǎn)。,但如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉(zhuǎn)動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。,如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？,10.

34、1 交流伺服電動機,正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性,當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0S11時，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)時也同樣為電動轉(zhuǎn)矩。,10.1 交流伺服電動機,現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm1,當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0S11時，轉(zhuǎn)矩為負值，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時也同樣為制動轉(zhuǎn)矩。,10.1 交流伺服電動機,在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的 下降，特性曲線下移。在同一負載轉(zhuǎn)矩作用時， 電動機轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。,交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等

35、系統(tǒng)中。,應(yīng)用:,10.1 交流伺服電動機,直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與直流電動機基本相 同。只是為減小轉(zhuǎn)動慣量，電機做得細長一些。,直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機 相同。,供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。,U1為勵磁電壓， U2為電樞電壓,直流伺服電動機的接線圖,10.2 直流伺服電動機,由機械特性可知： (1) 一定負載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時，U2 n。 (2) U2=0時，電機立即停轉(zhuǎn)。,電動機反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動機反轉(zhuǎn)。,直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示,機械特性曲線如圖所示。,直流伺服電動機的 n=f(T)曲線(U1=

36、常數(shù)),10.2 直流伺服電動機,直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。 直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。,應(yīng)用：,10.2 直流伺服電動機,10.3 PWM控制,PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）,10.3 PWM控制,用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波 正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等 用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等 寬度按正弦規(guī)律變化,圖6-3 用PW

37、M波代替正弦半波,SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可,10.3.1 PWM控制的基本原理,10.3 PWM控制,圖:PWM控制電路原理,10.3.1 脈寬調(diào)制控制電路的工作原理,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器,圖:鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(二) 三角波脈寬調(diào)制器,圖： 三角波脈寬調(diào)制器電路,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器,數(shù)字式脈寬調(diào)制器可隨控制信號的變化而改變脈沖序列的占空比/T。在數(shù)字式脈

38、寬調(diào)制器中，控制信號是數(shù)字，其值確定脈沖的寬度。當(dāng)維持調(diào)制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，就能達到改變占空比/T的目的。,10.3 PWM控制,用軟件方式來實現(xiàn)，即通過執(zhí)行軟件延時循環(huán)程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態(tài)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，設(shè)置不同的延時時間得到不同的占空比。 優(yōu)點：簡單、靈活、省硬件 缺點：需要占用CPU許多處理時間，對微處理機的速度要求很高，于控制不利； 用硬件電路自動產(chǎn)生PWM信號，不占用CPU處理的時間。,用微處理機來實現(xiàn)數(shù)字脈寬調(diào)制極其容易，通常的方法有兩種：,圖： 計數(shù)比較式PWM電路,10.3 PWM控制,圖：電路變速直流風(fēng)扇電機驅(qū)動器THMC40/4

39、1,10.3 PWM控制,THMC40/41是一種二相直流風(fēng)扇無刷電機驅(qū)動器；可用于需要PRM速率控制的12V散熱風(fēng)扇的控制。 可對直流風(fēng)扇進行速率控制而無需外部功率驅(qū)動 通過VPWM電壓改變運行周期，可在11%100%范圍內(nèi)以PWM控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速率。 功耗低，睡眠模式下的典型電流值僅為300A。 具有速率信號或鎖定轉(zhuǎn)子檢測信號輸出。 具有熱關(guān)斷保護功能，當(dāng)芯片結(jié)溫超過165時會自動關(guān)閉。,圖：電路變速直流風(fēng)扇電機驅(qū)動器THMC40/41,10.3 PWM控制,第十一章 步進電動機,特點: (1) 來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3) 改變脈沖順序，

40、可改變轉(zhuǎn)動方向。,步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機繞組每接受一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運行時，明顯可見電機軸是一步一步轉(zhuǎn)動的，故稱為步進電動機。,由于步進電動機的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用,下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。,定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個齒。,10.1 步進電動機的工作原理,1,反應(yīng)式步進電機利用定子繞組通電勵磁， 產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。,如圖示，定子有三對磁極 A-A，B

41、-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：,定子每相磁極有5個齒，其齒距寬度 與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個齒的夾角必 定是9。,10.1 步進電動機的工作原理,由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。,10.1 步進電動機的工作原理,當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊時，磁導(dǎo)率最大，磁阻最小，就會產(chǎn)生右圖所示的B、C相磁極錯齒情況：,在B相磁極中心線上應(yīng)是m號齒：,顯然，B相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第13個齒再過3的地方，即B相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差3,同理，C相磁極中心線上應(yīng)是n號齒：,即C相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第26個齒再過

42、6的地方，換而言之，C相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差6,依次按A-B-C-，A-B-C通電流，轉(zhuǎn)子就跟隨磁場一步一步轉(zhuǎn)動，若需反向轉(zhuǎn)動，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B。,2,10.1 步進電動機的工作原理,1.三相單三拍,A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對齊。,“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。,10.2 步進電動機的工作模式,同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4 齒和B、B

43、磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊。,10.2 步進電動機的工作模式,這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(一個齒距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA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。,10.2 步進電動機的工作模式,A相通電，轉(zhuǎn)子1、 3齒與A、A 對齊。,A、B相同時通電， A、A

44、 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達左圖所示位置。,10.2 步進電動機的工作模式,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、 4齒與B、B 對齊,又轉(zhuǎn) 過15。,B、C相同時通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 15。,10.2 步進電動機的工作模式,三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周 期如下：AAB B BC C CA，每個循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角）， 一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,3. 三相雙三拍,按AB BC CA的順序

45、給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時通電。,10.2 步進電動機的工作模式,與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。,10.2 步進電動機的工作模式,3,三相反應(yīng)式步進電機的三種運行方式：,單三拍時： ABC,ABC,10.2 步進電動機的工作模式,4,雙三拍時：,單雙拍（即六拍）時：,ABBCCA, ABBCCA,AABBBC CCA,-A ABBBC CCA ,10.2 步進電動機的工作模式,10.2 步進電動機的工作模式,從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式：,實用步進電機的步距角多為3和1.5 。,10.2 步進電動機的工作模式,按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：,反應(yīng)式(VR，Variable Reluctance）,永磁式(PM，Permanent Magnet),混合式(HB,Hybrid),按勵磁相數(shù)分：有三相、四相、五相等步進電機,按運轉(zhuǎn)方式分：有旋