電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)12章課件

第12章

微控電機(jī)微控電機(jī)由驅(qū)動(dòng)微電機(jī)和控制電機(jī)構(gòu)成，簡(jiǎn)稱為微控電機(jī)。普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要是進(jìn)行能量變換，要求有較高的力能指標(biāo)；而控制電機(jī)主要是對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應(yīng)快、精度高、運(yùn)行可靠等等?？刂齐姍C(jī)因其各種特殊的控制性能而常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和解算元件。1.驅(qū)動(dòng)微電機(jī)：用來(lái)拖動(dòng)各種小型負(fù)載，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，因此外形尺寸較小，相應(yīng)的功率也小，本章主要介紹單相異步電動(dòng)機(jī)，微型同步電動(dòng)機(jī)。2.控制電機(jī)：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳遞和變換，用做執(zhí)行元件或信號(hào)元件，要求有較高的控制性能，如：反應(yīng)快,精度高,運(yùn)行可靠等等。主要介紹伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。12.1.1一相定子繞組的機(jī)械特性一相定子繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁通勢(shì)F，可用正、反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)合成而等效。正轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F+產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為T+，反轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F-產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為T-。合成電磁轉(zhuǎn)矩T。Tnsn1-n1T+=f(s)T-=f(s)01）n=0，T=0，電機(jī)不能啟動(dòng)。2）n>0，T>0，在第Ⅰ象限，拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，能繼續(xù)保持正轉(zhuǎn)。n<0，T<0，在第Ⅲ象限，仍為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)也能繼續(xù)保持反轉(zhuǎn)。單相異步電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行，不能啟動(dòng)。T=f(s)12.1.2兩相定子繞組的機(jī)械特性當(dāng)主繞組預(yù)副繞組同時(shí)通入不同相位的兩相交流電流時(shí)，一般產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。F+F-。合成電磁轉(zhuǎn)矩為T。T+=f(s)Tnn1-n1T-=f(s)0T=f(s)當(dāng)n=0，T>0，電動(dòng)機(jī)能啟動(dòng)。若兩個(gè)繞組相位差90o，且磁通勢(shì)相等，合成磁通勢(shì)就為圓形磁通勢(shì)，機(jī)械特性與三相異步電動(dòng)機(jī)的一樣。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也比橢圓磁通勢(shì)的大。單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的必要條件：定子具有空間不同相位的兩個(gè)繞組；兩相繞組通入不同相位的電流。把工作繞組與啟動(dòng)繞組的電流相位分開稱之為“分相”。12.1.3單相異步電動(dòng)機(jī)的分類1.單相電阻分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)定子上嵌放兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組接在同一單相電源上，副繞組中串一個(gè)離心開關(guān)。開關(guān)作用是當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到80%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，斷開副繞組使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在只有主繞組工作。

1)副繞組中串入適當(dāng)電阻；2)副繞組采用的導(dǎo)線比主繞組截面細(xì)，匝數(shù)比主繞組少。這樣兩相繞組阻抗就不同，促使通入兩相繞組的電流相位不同，達(dá)到啟動(dòng)目的。為了使起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通?？扇煞N方法：2.單相電容分相啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)副繞組中串聯(lián)一個(gè)電容器和一個(gè)開關(guān)時(shí)，如果電容器容量選擇適當(dāng)，則可以在起動(dòng)時(shí)通過(guò)副繞組的電流在時(shí)間和相位上超前主繞組電流90°電角，這樣在起動(dòng)時(shí)就可以得到一個(gè)接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而有較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后轉(zhuǎn)速達(dá)到75%～85%同步轉(zhuǎn)速時(shí)副繞組通過(guò)開關(guān)自動(dòng)斷開，主繞組進(jìn)入單獨(dú)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)兩相異步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)較接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此，其運(yùn)行性能較好，功率因數(shù)、過(guò)載能力比普通單相分相式異步電動(dòng)機(jī)好。電容器容量選擇較重要，對(duì)起動(dòng)性能和影響較大。如果電容量大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，而運(yùn)行性能下降。反之，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，運(yùn)行性能好。綜合以上因素，為了保證有較好運(yùn)行性能，單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的電容比同功率單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)電容容量要小。啟動(dòng)性能不如單相電容啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)。4.單相電容啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)采用將兩個(gè)電容并聯(lián)后再與副繞組串聯(lián)的接線方式，這種電動(dòng)機(jī)稱為單相電容起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)電容器Cs容量較大，C為運(yùn)轉(zhuǎn)電容，電容量較小。啟動(dòng)時(shí)Cs和C并聯(lián)，總電容器容量大，所以有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)后，Cs切除，只有C運(yùn)行，因此電動(dòng)機(jī)有較好運(yùn)行性能。對(duì)電容分相式異步電動(dòng)機(jī)，如果要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，只要使主繞組或副繞組的接線端對(duì)調(diào)即可，對(duì)調(diào)接線端后旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向也隨之改變。5.單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)罩極式異步電動(dòng)機(jī)的主磁通包括兩部分：1）未罩部分Φ’A；2）被未罩部分ΦB。從相量圖看出在時(shí)間上相差一個(gè)相位差角。罩極式異步電動(dòng)機(jī)中的磁通Φ’A，ΦB在空間上相差一個(gè)電角度，在時(shí)間上相差一個(gè)電角度。氣隙磁通勢(shì)為橢圓磁通勢(shì)。由于，Φ’A永遠(yuǎn)領(lǐng)先ΦB，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向總是從磁極的未罩部分向被罩部分移動(dòng)，即轉(zhuǎn)向不能改變。單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便。但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，所以主要用于小功率電動(dòng)機(jī)的空載起動(dòng)場(chǎng)合，如小型風(fēng)扇、電唱機(jī)等。12.2伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號(hào)的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或控制電壓。伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達(dá)上千瓦；而交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。12.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，只不過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小而已。輸入的控制信號(hào)，既可加到勵(lì)磁繞組上，也可加到電樞繞組上。若把控制信號(hào)加到電樞繞組上，通過(guò)改變控制信號(hào)的大小和極性來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號(hào)加到勵(lì)磁繞組上進(jìn)行控制，這種方式叫磁場(chǎng)控制。12.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，定子上有兩個(gè)空間相差90o電角度的分布繞組，勵(lì)磁繞組f和控制繞組K，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。勵(lì)磁繞組f接單相交流電壓Uf，控制繞組K接單相交流電壓Uk，Uf與Uk二者同頻率。為了使電動(dòng)機(jī)有較好的調(diào)節(jié)性能，并且在控制信號(hào)為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)到零（避免自傳現(xiàn)象）。T+和T-曲線的sm很大（s+m

≥1）。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻值相對(duì)于一般異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)很大?？紤]控制信號(hào)Uk不同的情況：控制信號(hào)最強(qiáng)時(shí)合成磁通勢(shì)為圓磁勢(shì)，機(jī)械特性如曲線T1，控制信號(hào)最弱時(shí)合成磁通勢(shì)為脈振磁勢(shì)，機(jī)械特性如曲線T0。其他控制信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性應(yīng)在這兩條曲線之間，如T2。nTn1s0T1T0T2n2n0改變控制信號(hào)Uk大小與相位即實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制，控制方法主要有三種：幅值控制，相位控制和幅值-相位控制。1.幅值控制幅值控制通過(guò)改變控制電壓的大小來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓ＵkN,，控制信號(hào)的大小可表示Ｕk＝ＵkN,稱為有效信號(hào)系數(shù)，以ＵkN為基值，控制電壓Ｕk的標(biāo)么值為：2.相位控制保持控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來(lái)改變交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制。Uf與UK是同頻率的，二者相位差為，=0o~90o，Uf落后于UK。這樣sin=0~1，稱為相位控制系數(shù)。相位控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3.幅值-相位控制我們還可以通過(guò)同時(shí)改變幅值和相位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電壓的改變。幅度—相位控制線路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的移相裝置，只需電容進(jìn)行分相，具有線路簡(jiǎn)單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，因而成為使用最多的控制方式。12.4

微型同步電動(dòng)機(jī)微型同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般的同步電動(dòng)機(jī)相同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定，使用在轉(zhuǎn)速要求恒定的裝置中，例如：電唱機(jī)、錄音機(jī)、電視設(shè)備、電鐘、記錄儀陀螺儀等。微型同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)可以是三相的也可是單相的。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，微型同步電動(dòng)機(jī)主要分為永磁式、反應(yīng)式、磁滯式等。12.4.1永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)采用異步起動(dòng)法：在起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上的鼠籠起動(dòng)繞組在定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，轉(zhuǎn)子被“牽入同步”。12.4.2反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，使其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當(dāng)反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉(zhuǎn)矩（也叫反應(yīng)轉(zhuǎn)矩），拖動(dòng)負(fù)載同步運(yùn)行。12.4.2反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上也裝有鼠籠繞組，用來(lái)啟動(dòng)，同時(shí)鼠籠繞組還可作為阻尼繞組，消除轉(zhuǎn)子的振蕩。如圖為不同的轉(zhuǎn)子沖片，沖片上的小圓孔內(nèi)裝鼠籠條。12.4.3磁滯式同步電動(dòng)機(jī)磁滯式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子多采用環(huán)形硬磁材料，可用沖壓片疊壓而成，也可用整塊鑄造而成。里面有套筒。功率較小的磁滯式電動(dòng)機(jī)，定子可以采用罩極式結(jié)構(gòu)，與罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的定子一樣。這樣運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩既有磁滯轉(zhuǎn)矩又有反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。12.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常需要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種用電脈沖進(jìn)行控制、將的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入一個(gè)電脈沖就前進(jìn)一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用在數(shù)控起床、數(shù)控線切割機(jī)、平面繪圖機(jī)、計(jì)算機(jī)打印機(jī)等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之分。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是使用最多的一種，而其他步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似。12.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，它們均為磁性材料。如圖為一臺(tái)三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。ABC定子轉(zhuǎn)子定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。12.5.1矩角特性及穩(wěn)定平衡點(diǎn)工作時(shí)，ABC三相輪流通電流I，轉(zhuǎn)子就會(huì)向一個(gè)方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。12.5.1矩角特性及穩(wěn)定平衡點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)叫靜態(tài)運(yùn)行。靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩稱為靜轉(zhuǎn)矩T。電機(jī)定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角叫做失調(diào)角，用電角度表示。這樣，我們作出靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角之間的特性曲線，叫做矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角的關(guān)系近似為：T=-Csin矩角特性：T=-Csin靜穩(wěn)定區(qū)：正在通電的繞組的靜穩(wěn)定區(qū)稱之為靜穩(wěn)定區(qū)。

A相通電時(shí)，-<<為靜穩(wěn)定區(qū)。A’C1324B’AC’B轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于慣性，一般都有個(gè)振動(dòng)過(guò)程。為減少振動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要加阻尼。12.5.2步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)脈沖通電順序?yàn)锳-B-C。不考慮振蕩，空載運(yùn)行情況分析。動(dòng)穩(wěn)定區(qū)：下一個(gè)通電繞組的靜穩(wěn)定區(qū)稱之為動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。靜、動(dòng)穩(wěn)定區(qū)必須有重疊，即重疊區(qū)(-b)0。負(fù)載步進(jìn)運(yùn)行：若(-b)越大，TLmax也越大。若通電順序相反，為A-C-B，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。12.5.3連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)脈沖頻率f增高，其周期比轉(zhuǎn)子振蕩的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間還短時(shí)，轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)不停，這叫做連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常的運(yùn)行狀態(tài)，頻率比較高，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，調(diào)速范圍也很大。電動(dòng)機(jī)不丟步連續(xù)運(yùn)行的最高頻率叫運(yùn)行頻率，其值越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般采用機(jī)械阻尼，是振蕩很快衰減。同時(shí)還要加大(-b)的范圍，即減小步距角，增加電機(jī)的穩(wěn)定性。12.5.4通電方式、電機(jī)轉(zhuǎn)速及其他三相單三拍：A-B-C-A，步距角b=2/3電角度；三相雙三拍：AB-BC-CA-AB，步距角與單三拍相同，但轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)方向的平衡力矩，振蕩弱，穩(wěn)定性好。三相單、雙六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A，一個(gè)齒距即在2電角度中六等分，步距角b=/3電角度。顯然-b=2/3電角度，比三拍的大一倍，待負(fù)載能力增強(qiáng)了，穩(wěn)定性更好