電機(jī)與拖動(dòng)課件ppt--第5章 特種電機(jī)

1、 5 . 1 伺服電機(jī) 5 . 2 測(cè)速發(fā)電機(jī) 5 . 3 步進(jìn)電機(jī) 5 . 4 直線電動(dòng)機(jī)與磁懸浮裝置 電樞控制方式的直流伺服電機(jī)如上左圖,勵(lì)磁繞組接 在電壓恒定的勵(lì)磁電源上,電樞繞組接控制電壓 ,用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。 式中令 為常數(shù), T為變量, 表示機(jī)械特性,是向下傾斜的直線,如圖a;令T為常數(shù), 為變量, 是調(diào)節(jié)特性,如圖b,是向上的直線,表明調(diào)節(jié)特性的線性度好。cUTnCCRTCUTeec02)/()/(ncU)(TfncU)(cUfn(a)(b) 交流伺服電機(jī)是兩相異步電動(dòng)機(jī)。定子上嵌放著在空間相距90 的兩相繞組f和c, 勵(lì)磁繞組f接恒定電壓 ; 控制繞組c接輸入控制電壓

2、, 如上左圖。機(jī)械特性如第二幅圖,轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)機(jī)械特性如曲線1;轉(zhuǎn)子電阻大, 時(shí)機(jī)械特性如曲線2。運(yùn)行的交流伺服電機(jī),當(dāng) 為零時(shí)就成為單相異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)機(jī)械特性如圖a,有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象; 時(shí)機(jī)械特性如圖b,不會(huì)自轉(zhuǎn)。fUcU1mscU1ms(a)(b) 對(duì)交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的方法有三種:幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。保持控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的相位差為90 ,僅僅改變控制電壓的幅值來改變轉(zhuǎn)速的控制方式稱為幅值控制,如上左圖;保持控制電壓的幅值不變,通過改變控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來改變轉(zhuǎn)速的控制方式,稱為相位控制,如上中圖;勵(lì)磁繞組串電容器接電源,控制繞組通過電位器接同一電源

3、,調(diào)節(jié)電位器來控制轉(zhuǎn)速的方式,稱為幅值-相位控制,如上右圖。 三種控制方式的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性基本上相似。為便于比較,參數(shù)都采用標(biāo)么值。 幅值控制的機(jī)械特性,即a一定時(shí) ,如右上圖,機(jī)械特性隨a的減少向小轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)。 幅值控制的調(diào)節(jié)特性,即T*一定時(shí) 曲線,如右下圖,調(diào)節(jié)特性是非線性的,只有在相對(duì)轉(zhuǎn)速n*和信號(hào)系數(shù)a都較小時(shí),調(diào)節(jié)特性才近似為直線。 )( nfT)(afn 測(cè)速發(fā)電機(jī)能把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào),直流測(cè)速發(fā)電機(jī)就是微型直流發(fā)電機(jī),原理圖如右上圖。 當(dāng)電樞回路電阻為 ,發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻 時(shí),輸出電壓為 也就是 式中 為常數(shù),輸出特性為直線,如右下圖直線2所示,直線

4、1為空載時(shí)的輸出特性 ,電樞反應(yīng)的去磁作用使輸出特性微微向下彎曲,如曲線3。LRaRLaaaaaRUREIREU/nRRnCRREULaeLaa)/1/()/1/()/1/(LaeRRC 右上圖空心杯轉(zhuǎn)子測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖中:1 .端蓋 2 .定子繞組 3 .杯形轉(zhuǎn)子 4 .外定子5 .內(nèi)定子 6 .機(jī)殼 7 .軸。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動(dòng)、外定子勵(lì)磁繞組接電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生d軸方向的磁通 ,與q軸方向的內(nèi)定子輸出繞組不交鏈,輸出電壓 為零。當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí), 切割 而產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì) ,其方向如右下圖所示, 在短路的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流 與 同方向, 產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì) 作用在q軸上,交鏈著q軸上的輸出繞組,在輸出繞

5、組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ,空載時(shí)輸出電壓 d2UdrEnEdrrErIrErIrqF2E nEIFEUdrrrq22 交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性是指輸出電壓 隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的變化規(guī)律,即 。 當(dāng)忽略勵(lì)磁繞組的漏阻抗時(shí),只要電源電壓 恒定, 則 為常數(shù), 輸出繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 及空載輸出電壓 都與n成正比,理想空載輸出特性為直線,如圖中的直線1所示。測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí),由于電樞 所應(yīng)的去磁作用,使輸出電壓降低, 輸出特性如曲線2;當(dāng)輸出繞組接 上負(fù)載阻抗時(shí), 會(huì)產(chǎn)生漏阻抗壓降, 使輸出電壓進(jìn)一步降低,輸出特 性如曲線3。2U)(2nfU 1Ud2E2U 同步測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁式, 定子上嵌放著

6、單相輸出繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí),輸出繞組產(chǎn)生單相的交變電動(dòng)勢(shì),其有效值為 式中 為常數(shù),輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。 交變電動(dòng)勢(shì)的頻率 也與轉(zhuǎn)速成正比,帶負(fù)載時(shí),使負(fù)載的阻抗會(huì)隨頻率而變,也就會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變,不會(huì)是一個(gè)定值 。實(shí)際使用中,可用整流器將同步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓整流為直流電壓輸出, 會(huì)使輸出特性有較好的線性度。 cnpnNkfNkENN60/44. 444. 460/44. 4pNkcN60/pnf 上圖是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖,其定子和轉(zhuǎn)子均做成凸極結(jié)構(gòu),定子磁極上套有控制繞組;轉(zhuǎn)子上沒有繞組,只有4個(gè)齒。當(dāng)只有U相繞組通電時(shí), 反應(yīng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子齒1和3分別與定子磁極U和U對(duì)齊

7、,如圖a,這時(shí)V相繞組軸線領(lǐng)先轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線1 /3齒距。當(dāng)只有V相繞組通電時(shí), 反應(yīng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1 /3齒距,如圖b。當(dāng)只有W相繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過1 /3齒距,如圖C。每輸入一個(gè)脈沖,電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一步。 (a)(b)(c)(d) 通電順序?yàn)?的方式稱為三相單三拍運(yùn)行方式?！叭唷笔侵付ㄗ永@組是三相繞組; 定子繞組每改變一次通電方式稱為“一拍”;每改變?nèi)瓮姺绞酵瓿梢淮瓮娧h(huán),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒,稱為“三拍”; “單”是指每拍只有一相繞組通電。 是三相雙三拍運(yùn)行方式 。 是單雙六拍運(yùn)行方式。 當(dāng)定子相數(shù)為m時(shí),若單拍或雙拍運(yùn)行,則拍數(shù)N= m;若單雙拍運(yùn)行,則N=2 m。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為

8、 時(shí), 步距 角為 來 個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周,所以當(dāng)控制繞組輸入的脈沖頻率為f時(shí),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為UWVUUVWUVWUVUWUWVWVUVUrZ)/(3600NZrsrNZ)/(60rNZfn 轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的角度稱為失調(diào)角 ,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨失調(diào)角 變化規(guī)律稱為矩角特性, 為零時(shí),定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊,不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩, T為零;當(dāng) 時(shí),T最大; 在0 至90 范圍內(nèi),T與 的正弦成正比,如上左圖,即 ,當(dāng) 順時(shí)針偏離為正時(shí),T沿逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù),T 與 反向。把區(qū)間 稱為靜態(tài)穩(wěn)定區(qū); 稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū),如上右圖。090sinmTT)180,180(00)180,180(00ss 設(shè)想將一臺(tái)籠型異步電

9、動(dòng)機(jī)沿徑向剖開,如圖a所示,再用一軸向平面沿著半徑方向?qū)⒍ㄗ雍娃D(zhuǎn)子再剖開,然后把定子和轉(zhuǎn)子拉直,便成為一臺(tái)直線異步電動(dòng)機(jī),如圖b所示。將圖b中的轉(zhuǎn)子(滑子)用鋼板代替,定子繞組用磁極來表示,就如圖c所示。將鋼板卷成鋼棒,定子磁極圍繞鋼棒卷成圓筒形,就形成如圖d所示的圓筒形直線異步電動(dòng)機(jī)。 (a)(b)(c)(d) 直線異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí),定、滑子之間有相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng),這樣定子或滑子二者之一必須延長,才能使直線異步電動(dòng)機(jī)連續(xù)地作直線運(yùn)動(dòng)?；友娱L者稱為短定子直線異步電動(dòng)機(jī),定子延長者稱為短滑子直線異步電動(dòng)機(jī),分別如上圖中a和b所示。僅在滑子的一邊安裝定子的,稱為單邊型直線異步電動(dòng)機(jī),如上左圖所示

10、;在滑子的對(duì)應(yīng)兩邊都安裝定子的,稱為雙邊型直線異步電動(dòng)機(jī),如上右圖所示。 (a)(b)(a)(b) 圖a中,當(dāng)籠型異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組通入三相交流電流時(shí), 會(huì)產(chǎn)生正弦分布的轉(zhuǎn)速為 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子及負(fù)載以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。 圖b的直線異步電動(dòng)機(jī), 定子三相繞組按直線作有序排列,通入三相交流電流時(shí)產(chǎn)生正弦分布的速度為 的直線運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng),與其切割轉(zhuǎn)子(滑子)時(shí)產(chǎn)生的電流相互作用,產(chǎn)生直線電磁力,推動(dòng)滑子及負(fù)載沿磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向以速度 作直線運(yùn)動(dòng)。 1n1(a)(b) 同步轉(zhuǎn)速為 ,磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線速度為 表明同步速度與極距成正比,而

11、與極對(duì)數(shù)無關(guān)。 滑差率s為 則 忽略機(jī)械損耗,輸出功率 等于機(jī)械功率,也就等于作用力F與速度 的乘積,則推力F為 經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得到推力與滑差率s 之間的關(guān)系, 稱為推力-滑差率特性 曲線, 如圖所示,曲線1及2分別為 高速及低速直線異步電動(dòng)機(jī)的推 力-滑差率特性曲線。 pfn/601160/211np12 f11/ )(s)1 (2)1 (11sfs)1 (2/122sfPPF2p 直線同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是直線放置的三相繞組,轉(zhuǎn)子裝有勵(lì)磁繞組。 當(dāng)定子三相繞組接三相交流電源和轉(zhuǎn)子勵(lì)繞組接直流電源時(shí),三相定子繞組電流產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電流產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)相互作用,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子及負(fù)載作直

12、線運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)速度就等于定子磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度,即同步速度 。 如果定子磁場(chǎng)是水平方向的直線運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng),則直線同步電動(dòng)機(jī)不僅能產(chǎn)生水平方向的電磁力, 同時(shí)還能產(chǎn)生垂直方向的電磁力,企圖克服重力作用,將轉(zhuǎn)子及重物懸浮起來,這就是磁懸浮力。 1 浮法玻璃生產(chǎn)中利用直線異步電動(dòng)機(jī)做成的電磁攪拌機(jī),其工作原理如圖所示。錫槽3中盛放著熔融錫液4 ;在錫液上盛放著玻璃液2 ;直線異步電動(dòng)機(jī)的定子1置于錫液和玻璃液的上 方,錫液就是直線異步電動(dòng)機(jī) 的滑子。當(dāng)直線異步電動(dòng)機(jī) 的定子繞組接三相交流電源 產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)時(shí),錫液 受到電磁力的作用,會(huì)沿著 磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng),起到了攪拌 錫液的效果。 圖5 . 27 電動(dòng)機(jī)在

13、錫槽工作的示意圖 1 .直線電動(dòng)機(jī) 2 .玻璃液 3 .錫槽 4 .錫液 如果作用在重物上的電磁力,其方向與重物重力方向相反,其大小大到足以克服重物重力作用時(shí),重物將在電磁力的作用下在空中懸浮起來,這種現(xiàn)象稱為磁懸浮。稱電磁力為磁懸浮力。 設(shè)想有三根長度為l的平行導(dǎo)體1 、 2 、 3 ,它們兩端也用導(dǎo)體連接起來,形成如圖所示的機(jī)械構(gòu)件。永磁鐵N以速度 在導(dǎo)體2上方掃過時(shí),會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流, 方向如圖所示,磁極N對(duì)導(dǎo)體2的作用力 方向向右。導(dǎo)體1和3中的電流方向與導(dǎo)體2的相反, 大小只有導(dǎo)體2的一半,而且所在處的磁 通密度也小于導(dǎo)體2的,所以 , , 合力 ,方向向右, 力圖牽引構(gòu)件跟隨磁極

14、N運(yùn)動(dòng)。BliF 22/21FF2/23FF 312FFFF 導(dǎo)體構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)磁極組成一個(gè)電阻電感電路,如上左圖a 電路的電壓方程式為 電流為 電流曲線如上左圖b。當(dāng)t=0磁極N從導(dǎo)體2上掃過產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E時(shí),電流要延遲才能達(dá)到最大值。若磁極以很低的速度運(yùn)行,在 時(shí)的位移量 是很小的,磁極仍在導(dǎo)體2上方,磁極和導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)如上右圖a;磁極N受力情況如上右圖b。 ERidtdiL)1 (/TteREittts(a)(b)(a)(b) 由低速運(yùn)動(dòng)磁極受力圖可知, 和 大小相等,將它們分解出垂直方向和水平方向的分力,垂直方向合力為零,沒有磁浮力。 若磁極N以很高的速度從導(dǎo)體2上掃過,經(jīng)過 后,N極可能移動(dòng)到導(dǎo)體2和3的正上方,磁極和導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖a所示,磁極受力情況如圖b所示。由圖中看出 ,水平分力為 ,合力沿垂直方向的分力為 ,是向上的。由此可知:在導(dǎo)體上高速運(yùn)動(dòng)的磁極受到垂直向上的 電磁力的作用 ,當(dāng)其足夠 大時(shí)就可將磁極N懸浮起 來成為磁浮力。11F21Ft222111FFF)(2211FF 23F(a)(b) 當(dāng)直線同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接三相交流電