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    直流电动机单相异步电动机步进电机培训课件.ppt

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    直流电动机单相异步电动机步进电机培训课件.ppt

    第七章 电动机,§7.2 直流电动机7.2.1 概述7.2.2 工作原理7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系7.2.4 电磁转矩7.2.5 机械特性7.2.6 直流电动机的调速7.2.7 直流电动机的使用和额定值§7.3单相异步电动机§7.4步进电机,7.2.1 概述,与异步电动机相比,直流电动机的结构复杂,使用和维护不如异步机方便,而且要使用直流电源。,7.2.2 工作原理,一、 工作原理,电刷,换向片,注意:换向片和电源固定联接,线圈无论怎样转动,总是上半边的电流向里,下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则,通电线圈在磁场的作用下,使线圈逆时针旋转。,由右手定则,线圈在磁场中旋转,将在线圈中产生感应电动势,感应电动势的方向与电流的方向相反。,直流发电机,用右手定则判感应电动势Ea的方向,电枢绕组电阻Ra,感应电动势,输出电压,二、 直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1. 转子(又称电枢) 由铁芯、绕组(线圈)、换向器组成。,2. 定子,定子的分类:,励磁的定义:磁极上的线圈通以直流电 产生磁通,称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系,励磁式的直流电机又可细分为:,他励电动机:励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机:励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机:励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机:励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在 同一电源上。,7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后,产生电磁转矩,使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动,又会在线圈中产生感应电动势(用E表示)。,一、 电枢中的感应电动势,根据右手定则知,E和原通入的电流方向相反,其大小为:,单位: (韦伯),n(转/每分),E(伏),二、 电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反,所以叫反电势。,U:外加电压Ra:绕组电阻,7.2.4 电磁转矩,一、电磁转矩,单位: (韦伯),Ia(安培),T(牛顿米),由转矩公式可知:(1)产生转矩的条件:必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向:改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,二、 转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩,在电机运行时,必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡,即,转矩平衡过程:当负载转矩(TL)发生变化时,通过电机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩自动调整,以实现新的平衡。,例:,设外加电枢电压 U 一定,T=TL+ T0(平衡),这时,若TL突然增加,则调整过程为:,与原平衡点相比,新的平衡点:Ia 、 P入,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系,下边以他励和串励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,7.2.5 机械特性,一、 他励电动机的机械特性,n0: 理想空载转速,即T=0时的转速。(实际工作时,由于有空载损耗,电机的T不会为0。),当 T时n ,但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小,所以在负载变化时, 转速 n 的变化不大,属硬机械特性。,根据 n-T 公式画出特性曲线,串励的特点:励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、 串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比,即 =K Ia ,则,据此公式做出 T-n 曲线,(1) T=0时,在理想情况下,n。但实际上负 载转矩不会为 0,不会工作在 T=0 的状态, 但空载时 T 很小,n 很高。串励不允许空载 运行,以防转速过高。,串励特性:,(2) 随转矩的增大,n 下降得很快,这种特性属 软机械特性。,(2) 恒功率负载(P 一定时,T 和 n 成反比), 要选软特性电机拖动。如:电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1) 恒转矩的生产机械(TL一定,和转速无关)要 选硬特性的电动机,如: 金属加工、起重机 械等。,7.2.6 直流电动机的调速,与异步电动机相比,直流电动机结构复杂,价格高,维护不方便,但它的最大优点是调速性能好。,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,(1)调速均匀平滑,可以无级调速。(2)调速范围大,调速比可达200 (他励式)以上 (调速比等于最大转速和最小转速之比)。,直流电动机调速的主要优点是:,由该式可知,n 和 有关,在 U 一定的情况下,改变 可改变 n 。在励磁回路中串上电阻Rf,改变Rf大小调节励磁电流,从而改变 的大小。,一、改变磁通(调磁),1.原理,其中: =K If,Rf If n ,但在额定情况下, 已接 近饱和,If 再加大,对 影响不大,所以这种增加 磁通的办法一般不用。 Rf If n ,减弱磁通是常用的调速方 法。,If的调节有两种情况:,概念:改变磁通调速的方法 减小磁通,n只能上调。,2.特性的变化,调速过程: U一定,则,暂时T > TL,(1)调速平滑,可做到无级调速,但只能向上调, 受机械本身强度所限,n不能太高。(2)调的是励磁电流(该电流比电枢电流小得多), 调节控制方便。,3.减小 调速的特点:,二、改变电枢电压调速,由转速特性方程知:调电枢电压U,n0变化,斜率不变,所以调速特性是一组平行曲线。,1.特性曲线,2.改变电枢电压调速的特点,(1)工作时电枢电压一定,电压调节时,不允许超 过UN,而 n U,所以调速只能向下调。(2)可得到平滑、无级调速。(3)调速幅度较大。,Uf=110V固定,U=0110V可调,改变电枢电压调速方案举例:,例:已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求:,(1)TL=0.5TN 时, n=? (2) =0.8 N 时, n=?,解:(1) TL=0.5TN 时,(2) =0.8 N 时,这种调速方法耗能较大,只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。,三、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变,即电机的特性曲线变陡(斜率变大),在相同力矩下,n,7.2.7 直流电动机的使用和额定值,限制Iast的措施:(1)启动时在电枢回路串电阻。(2)启动时降低电枢电压。,一、使用,1.启动,启动时,n= 0 Ea=0,若加入额定电压,则,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。,(1)若电动机原本静止,由于励磁转矩 T = KT Ia, 而 0 ,电机将不能启动,因此,反电动势 为零,电枢电流会很大,电枢绕组有被烧毁 的危险。,(2)如果电动机在有载运行时磁路突然断开, 则 E ,Ia ,T 和 ,可能不满 足TL的要求,电动机必将减速或停转,使 Ia更大,也很危险。,措施:他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时,自动切断电枢电源U。,2.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,(1)反接制动,3.制动,制动的所采用的方法: 反接制动、能耗制动、发电回馈制动,电阻 R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。,(2)能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。,特殊情况下,例如汽车下坡时、吊车重物下降时, 在重力的作用下 nn0( n0理想空载转速),这时电动机变成发电机,电磁转矩成为阻转矩,从而限制电机转速过分升高。,(3) 发电回馈制动,直流电机有四个出线端,电枢绕组、励磁绕组各两个,可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,4.连接,(1)绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,(2)绕组的符号,二、额定值,1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。,2. 额定电压UN :额定工作情况下的电枢上加的直流电压。(例:110V,220V,440V),3. 额定电流IN : 额定电压下,轴上输出额定功率时的电流(并励应包括励磁电流和电枢电流)三者关系:PN=UNIN ( :效率),注意:调速时对于没有调速要求的电机,最大转速 不能超过 1.2nN 。,4.额定转速nN :在PN,UN,IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低(如:每分钟几转)或很高(每分钟3000转以上)。,7.3 单相异步电动机,一、 单相异步电动机的工作原理,结构:定子放单相绕组(其中通220V单相交流电) 转子一般用鼠笼式。,N,S,当定子绕组产生的合成磁场增加时,根据右手螺旋定则和左手定则,可知转子导条左、右受力大小相等方向相反,所以没有起动转矩。,在电流正半周,转子借助其它力量转动后,外力去除后仍按原方 向继续转动。其原理分析如下:,定子绕组产生的脉动磁场(),可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即:,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),(反向),电容分相式起动,二、单相异步电动机的起动,接近90°,电容分相式单相异步 电动机起动原理,t=t0,磁场逆时针方向旋转,t=t0,t=t1,启动时开关K闭合,使两绕组电流相位差约为90°,从而产生旋转磁场,电机转起来;转动正常以后离心开关被甩开,启动绕组被切断,而电机仍按原方向继续转动。,工作原理,罩极式单相电机,定子通入电流以后,部分磁通穿过短路环,并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化,致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差,从而形成旋转磁场,使转子转起来。,图中电机的转动方向:顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,单相异步电动机的功率小,主要制成小型电机。它的应用非常广泛,如家用电器(洗衣机、电冰箱、电风扇)、电动工具(如手电钻)、医用器械、自动化仪表等。,三、单相电机的使用,三相异步电动机的单相运行,三相异步电动机在运行过程中,若其中一相和电源断开,则变成单相运行。此时和单相电机一样,电机仍会按原来方向运转。但若负载不变,三相供电变为单相供电,电流将变大,导致电机过热。使用中要特别注意这种现象;三相异步电动机若在启动前有一相断电,和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声,长时间启动不了,也会过热,必须赶快排除故障。,第7章 控制电机,概述§7 .4 步进电动机 7.4.1 结构 7.4.2 工作方式 7.4.3 小步距角的步进电动机§7.5 伺服电动机 7.5.1 交流伺服电动机 7.5.2 直流伺服电动机,前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的,其主要任务是能量转换,例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。,概述,控制电机的种类很多,本章主要介绍步进机、伺服机。,对控制电机的主要要求:动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。,§7.4 步进电动机,机理:步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲,电机转动一个角度,带动机械移 动一小段距离。,特点:(1)来一个脉冲,转一个步距角。 (2)控制脉冲频率,可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序,改变方向。,种类: 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈,反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,应用: 步进机的应用非常广泛。如:在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,7.4.1 结构,步进机主要由两部分构成:定子和转子。它们均由磁性材料构成,其上分别有六个、四个磁极 。,定子,转子,定子绕组,定子的六个磁极上有控制绕组,两个相对的磁极组成一相。,注意:这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线图的联接和组数的区别。,IA,IB,IC,7.4.2 工作方式,步进电机的工作方式可分为:三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,一、三相单三拍,(1)三相绕组联接方式:Y 型,(3)工作过程,A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。,同理,B相通电,转子2、4齿和B相轴线对齐,相对A相通电位置转30;C相通电再转30。,这种工作方式,因三相绕组中每次只有一相通电,而且,一个循环周期共包括三个脉冲,所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点:,(1)每来一个电脉冲,转子转过 30。此角称为步距角,用S表示。,(2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序,改变通电顺序即可改变转向。,二、三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为: AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程:,A相通电,转子1、3齿和A相对齐。,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电,转子转了15°。,(1)BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力,该拉力使 转子顺时针方向转动。,A、B相同时通电,(2)AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。,总之,每个循环周期,有六种通电状态,所以称为三相六拍,步距角为15。,B相通电,转子2、4齿和B相对齐,又转了15。,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为: AB BC CA AB 共三拍。,工作方式为三相双三拍时,每通入一个电脉冲,转子也是转30,即 S = 30。,7.4.3 小步距角的步进电动机,实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度,步距角越小,机加工的精度越高。,为产生小步距角,定、转子都做成多齿的,图中转子40个齿,定子仍是 6个磁极,但每个磁极上也有五个齿。,转子的齿距等于360/ 40=9 ,齿宽、齿槽各4.5 。,为使转、定子的齿对齐,定子磁极上的小齿,齿宽和齿槽和转子相同。,工作原理:假设是单三拍通电工作方式。,(1)A 相通电时,定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时,B 相和 A 相空间差120,含 120/9 = 齿 A 相和 C 相差240,含240/ 9 = 个齿。所以,A 相的转子、定子的五个小齿对齐时,B 相、C 相不能对齐,B相的转子、定子相差 1/3 个齿(3),C相的转子、定子相差2/3个齿(6)。,若工作方式改为三相六拍,则每通一个电脉冲,转子只转 1.5 。,异步机的转动方向仍由相序决定。,同理,C 相通电再转3 ,(2)A 相断电、B 相通电后,转子只需转过1/3个 齿(3),使 B 相转子、定子对齐。,步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。,§7.5 伺服电动机,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制,信号电压的大小和极性改变时,电动机的转动速度和方向也跟着变化。,伺服电动机的作用,7.5.1 交流伺服电动机,原理与两相交流异步电机相同,定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组。,励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。,励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。,接线:,励磁绕组的接线,适当选择电容的大小,可使通入两个绕组的电流相位差接近90,因此便产生旋转磁场,在旋转磁场的作用下,转子便转动起来。,例:选择电容,可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。,工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近90°,因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下,转子转动起来。,控制电压 与电源电压 两者频率相同,相位相同或反相。,(1)U2= 0 时,转子停止。,这时,虽然U2 =0V,U1仍存在,似乎成单相运行状态,但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后,出现单相后仍转。伺服电机不同,单相电压时设备不能转。,交流伺服电动机的特点:,原因:交流伺服电机 R2设计得较大。所以在U2=0时,交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图:,当U2=0V时,脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T、T 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反,所以电机在U2=0V时,能立即停止,体现了控制信号的作用(有控制电压时转动,无控制电压时不转),以免失控。,(3)控制电压 U2 大小变化时,转子转速相应变化,转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变时,转子的转向改变。,(2)交流伺服电机 R2设计得较大,使Sm>1,Tst大,启动迅速,稳定运行范围大。,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W,电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛,如用在自动控制、温度自动记录等系统中。,应用,7.5.2 直流伺服电动机,结构:与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。,工作原理:与直流电动机相同。,供电方式:他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电:,由机械特性可知:(1)U1(即磁通)不变时,一定的负载下,U2,n。(2)U2=0时,电机立即停转。,反转:电枢电压的极性改变,电机反转。,直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样:,直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中,它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多,如随动系统中的位置控制等。,应用:,

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