Ch04 第四章 电气执行元件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对于起停较多的场合，如用于高速打印机、绘图 仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低 速平稳性，而比功率高是主要要求。
比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机>步进 电机>直流伺服电动机>交流伺服电动机。
3
电动机
按照电源形式分类：
直流电动机 交流电动机
按照用途分类：
驱动用电动机（进行能量转换） 控制用电动机 （进行控制信号转换和传送）
11
4.2交流异步电动机
交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本 较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动 机。
缺点是不能经济地在较为广泛的范围内平滑调速 (因变频器价格较高)。以往在要求调速范围较宽 的设备中，多采用直流电动机。
同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有 严格不变的关系(与磁场同步/异步)。
步进电动机 伺服电动机
4
4.1直流电动机
优点：
调速范围宽广，调速特性平滑 过载能力较强，起动和制动转矩较大 控制方法简单，动态响应快
缺点：
存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运 转和易燃场合
制造复杂，大容量直流电动机成本较高
5
直流电动机
按照励磁方式分类
永磁式——稀土永磁体的广泛应用 励磁式 他励式
3. 改变定子供电频率f，可以无级地改变电动机的同 步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压与 定子供电频率f 协调，性能会更好。随着电力电子技 术的发展，变频调速应用日益广泛。
13
交流异步电动机特性1
机械特性：异步电动机的稳态机械特性指电压恒定 时，转矩T与转差率s或转速n的函数关系。
对任何电动机，都可定义功率密度和比功率两项
指标。
功率密度 积。
Pω
P V
，P为电动机功率；V为电动机的体
dP d(T)
d
比功率
dt
dt
|T TN TN dt
TN为额定转矩。
2
基本概念
对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、 机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速 振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运 行。这种场合下功率密度是主要指标。
b
作在N点，当T= TL时，电动机以 恒定速度运转。
Tm Tst a
若某种原因使负载转矩TL有所增 TN
N
大， 由于惯性电磁转矩T还来不
及变化，于是有T<TL ，电动机将 减速运行，n减小。由T(n)曲线可
0
c n
nm nN n0
知： n减小又将使T增大，重新使 1
0s
电磁转矩T= TL 。这时电动机以 较原来略低的转速稳定运行。
n 60 f1 (1 s) p
12
ห้องสมุดไป่ตู้
交流异步电动机调速方法
1. 改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转 差率s 。 这种方法成本低，易实现，但调速机械特性 很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U也 可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动 机的效率降低，特性变差。
2. 改变极对数p，这种方法调速是有级的，而且调速 范围窄。电动机设计制造时就已决定了p的可取值， 往往是2或3。
串励式 自励式 并励式
复励式
速度控制方法
调压调速 弱磁调速 电枢回路串入电阻——效率较低
6
直流电动机调速方法
弱磁调速：所需控制功率较小
为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实 际上很困难（反电势的原因）
励磁电路时间常数较大，调节时间长
调压调速（电枢电压控制）：
对值越小，则称机械特性越硬。
T
Ua增大
ω
8
直流电动机稳态特性2
调节特性：指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化 的关系
Ua R T
Ke KT Ke 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范
围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。
ω
T增大
Ua
9
直流电动机动态特性
工业中大量应用的交流-直流变流器是晶闸管相位控制 变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制 器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸 管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对 其它设备的干扰。
直流-直流变流器
直流-直流变流器有逆变-整流方式和直流斩波方式，目 前较先进的是晶体管脉宽调制（PWM）方式。系统的 响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小， 不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。
TL T TL
这一过程可以表示为：
n T
当扰动消失，电动机可以重新回 到N点工作。
T TL
15
不稳定工作区——曲线ab段
不稳定工作区对应于T(n) 曲线的ab段。电磁转矩T 随着速度的增加而增大。 电动机在这个区域工作时 是不稳定的。
要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。 可利用电枢反电动势作为阻尼 实际应用要考虑功率放大器的时间常数
7
直流电动机稳态特性1
机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。
对于并励或者永磁直流电动机
T
KT Ia
KT R
Ua
KT Ke R
当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝
曲线上的重要点有：
nN ，TN——额定转速和额定转矩 Tst——起动转矩
T
Tm
如果转子电阻大到使机械特 Tst a 性曲线单调下降，这种交流 TN
b N
异步电动机就适宜用作执行
电动机 。
0
c n
nm nN n0
1
0s
14
稳定工作区——曲线bc段
设电动机的负载转矩TL为稳定值，
与电动机的转速无关。电动机工 T
机械电子工程原理
第四章 电气执行元件
机械工业出版社
基本概念
电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小 功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气 源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介 质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这 些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行 元件，特别是各种执行电动机。
动态电压：因电枢旋转产生的感应电动势，使得 电枢上的电流随转速变动
Ea
Ke
pN 2 a
La
dI a dt
Ra Ia
Ea
Ua
动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量 合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦(系数k)
J
d
dt
k
T
KT
Ia
10
直流电动机调速装置
交流-直流变流器
比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机>步进 电机>直流伺服电动机>交流伺服电动机。
3
电动机
按照电源形式分类：
直流电动机 交流电动机
按照用途分类：
驱动用电动机（进行能量转换） 控制用电动机 （进行控制信号转换和传送）
11
4.2交流异步电动机
交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本 较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动 机。
缺点是不能经济地在较为广泛的范围内平滑调速 (因变频器价格较高)。以往在要求调速范围较宽 的设备中，多采用直流电动机。
同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有 严格不变的关系(与磁场同步/异步)。
步进电动机 伺服电动机
4
4.1直流电动机
优点：
调速范围宽广，调速特性平滑 过载能力较强，起动和制动转矩较大 控制方法简单，动态响应快
缺点：
存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运 转和易燃场合
制造复杂，大容量直流电动机成本较高
5
直流电动机
按照励磁方式分类
永磁式——稀土永磁体的广泛应用 励磁式 他励式
3. 改变定子供电频率f，可以无级地改变电动机的同 步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压与 定子供电频率f 协调，性能会更好。随着电力电子技 术的发展，变频调速应用日益广泛。
13
交流异步电动机特性1
机械特性：异步电动机的稳态机械特性指电压恒定 时，转矩T与转差率s或转速n的函数关系。
对任何电动机，都可定义功率密度和比功率两项
指标。
功率密度 积。
Pω
P V
，P为电动机功率；V为电动机的体
dP d(T)
d
比功率
dt
dt
|T TN TN dt
TN为额定转矩。
2
基本概念
对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、 机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速 振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运 行。这种场合下功率密度是主要指标。
b
作在N点，当T= TL时，电动机以 恒定速度运转。
Tm Tst a
若某种原因使负载转矩TL有所增 TN
N
大， 由于惯性电磁转矩T还来不
及变化，于是有T<TL ，电动机将 减速运行，n减小。由T(n)曲线可
0
c n
nm nN n0
知： n减小又将使T增大，重新使 1
0s
电磁转矩T= TL 。这时电动机以 较原来略低的转速稳定运行。
n 60 f1 (1 s) p
12
ห้องสมุดไป่ตู้
交流异步电动机调速方法
1. 改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转 差率s 。 这种方法成本低，易实现，但调速机械特性 很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U也 可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动 机的效率降低，特性变差。
2. 改变极对数p，这种方法调速是有级的，而且调速 范围窄。电动机设计制造时就已决定了p的可取值， 往往是2或3。
串励式 自励式 并励式
复励式
速度控制方法
调压调速 弱磁调速 电枢回路串入电阻——效率较低
6
直流电动机调速方法
弱磁调速：所需控制功率较小
为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实 际上很困难（反电势的原因）
励磁电路时间常数较大，调节时间长
调压调速（电枢电压控制）：
对值越小，则称机械特性越硬。
T
Ua增大
ω
8
直流电动机稳态特性2
调节特性：指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化 的关系
Ua R T
Ke KT Ke 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范
围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。
ω
T增大
Ua
9
直流电动机动态特性
工业中大量应用的交流-直流变流器是晶闸管相位控制 变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制 器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸 管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对 其它设备的干扰。
直流-直流变流器
直流-直流变流器有逆变-整流方式和直流斩波方式，目 前较先进的是晶体管脉宽调制（PWM）方式。系统的 响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小， 不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。
TL T TL
这一过程可以表示为：
n T
当扰动消失，电动机可以重新回 到N点工作。
T TL
15
不稳定工作区——曲线ab段
不稳定工作区对应于T(n) 曲线的ab段。电磁转矩T 随着速度的增加而增大。 电动机在这个区域工作时 是不稳定的。
要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。 可利用电枢反电动势作为阻尼 实际应用要考虑功率放大器的时间常数
7
直流电动机稳态特性1
机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。
对于并励或者永磁直流电动机
T
KT Ia
KT R
Ua
KT Ke R
当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝
曲线上的重要点有：
nN ，TN——额定转速和额定转矩 Tst——起动转矩
T
Tm
如果转子电阻大到使机械特 Tst a 性曲线单调下降，这种交流 TN
b N
异步电动机就适宜用作执行
电动机 。
0
c n
nm nN n0
1
0s
14
稳定工作区——曲线bc段
设电动机的负载转矩TL为稳定值，
与电动机的转速无关。电动机工 T
机械电子工程原理
第四章 电气执行元件
机械工业出版社
基本概念
电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小 功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气 源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介 质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这 些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行 元件，特别是各种执行电动机。
动态电压：因电枢旋转产生的感应电动势，使得 电枢上的电流随转速变动
Ea
Ke
pN 2 a
La
dI a dt
Ra Ia
Ea
Ua
动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量 合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦(系数k)
J
d
dt
k
T
KT
Ia
10
直流电动机调速装置
交流-直流变流器