第七章控制电机.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,电机学及拖动基础,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,1,第七章 控制电机,2,主要内容,第一节,伺服电动机,第二节,测速发电机,第三节 自整角机,第四节 旋转变压器,第五节 力矩电动机,3,控制电机：,用于检测、放大和执行的小功率电机,与一般旋转电机的异同：,相同之处,电磁过程及所遵循的基本电磁规律一致,不同之处,作用不同,、,要求不同,旋转电机,主要作用,是完成能量的转换；,主要要求,是具有较高的力学性能指标,控制电机,由于控制系统的需要，,主要作用,是完成控制信号的传递和转换；,主要要求,是运行可靠响应迅速、精确度高等,4,第一节 伺服电动机,伺服电动机：,也称执行电动机，是一种,服从控制信号的要求而动作,的电动机,“,伺服”,信号到来之前，转子静止不动,信号到来之后，转子立即转动,信号消失，转子能及时自行停转,伺服电动机应具备的基本性能：,可控性好,信号消失以后，能立即自行停转,稳定性高,转速随转矩的增加而均匀下降,速应性强,反应快、灵敏,伺服电动机的类型：,交流伺服电动机,以交流电源工作,直流伺服电动机,以直流电源工作,5,一 交流伺服电动机,工作原理与单相异步电动机相似,定子绕组,f,和,c,在,空间上相差,90,o,f,由定值交流电压励磁，称,励磁绕组,c,由伺服放大器供电而进行控制，称,控制绕组,转子为笼型,（一）工作原理,励磁绕组,固定地接在交流电源上,控制绕组电压为零,，气隙磁场为脉振磁场，无起动转矩,控制绕组加上电压,，且,电流和励磁电流不同相,，气隙内产生旋转磁场，有起动转矩，转子旋转,1.,起动,其电磁过程类似一台分相式单相异步电动机,6,问题：,如果伺服电动机参数和一般单相异步电动机相同，那么电动机一经起动，当控制信号（控制电压）消失后，即使在单相励磁情况下，也会继续转动，即电动机的旋转失去控制,伺服电动机的这种失控而自行旋转的现象称为,“自转”,。,如何克服自转？,2.,停转,单相异步电动机：,由正向机械特性与反向机械特性合成,在电动机运行范围,(0s,+,T,-,，,故单相励磁时，仍能继续旋转,最大转矩所对应的临界转差率,s,m,随转子电阻的增加而变大,7,伺服电动机：,为了克服自转，必须将转子电阻设计得满足,增大转子电阻，可扩大交流伺服电动机的稳定运行范围,显然，,对交流伺服电动机而言，只要做到无自转，运行必然是稳定的,。,但转子电阻过大，会降低其起动转矩,。,s,-,设想：,若转子电阻满足条件,则在电动机运行范围内,(0s,+,1),，出现负转矩，即制动转矩，,故单相励磁时，能自行停转,增大转子电阻，在,0s,+,1,内，正、反向机械特性随,s,绝对值减小而下降,8,定子结构：,和异步电动机相似，槽中装有空间上互差,90,o,电角度的,励磁绕组,和,控制绕组,转子结构：,有,笼型转子,和,非磁性杯形转子,两种形式,（二）基本结构,杯形转子伺服电动机：,原理：,内定子代替笼型转子铁心作为磁路的一部分，由杯形转子内感应涡流与主磁场作用而产生电磁转矩,优点：,转动惯量小、摩擦转矩小，速应性强，运转平稳,缺点：,内定子的存在使得气隙较大、励磁电流较大、体积也较大,9,起动和停转,通过施加或撤除控制电压实现,转速大小和方向,通过改变控制电压相位和大小实现,控制方法：,幅值控制：,控制电压相位不变，改变幅值来进行控制,相位控制：,控制电压幅值不变，改变相位来进行控制,幅,相控制,：同时改变控制电压的幅值和相位来实现,实质,和单相异步电动机一样，利用改变正转与反转磁动势大小的比例，来改变正转和反转电磁转矩的大小，从而达到改变合成转矩和转速的目的。,（三）控制方法,10,机械特性和调节特性,是交流伺服电动机的主要特性，从这些特性可看出交流伺服电动机,是否可控、起动转矩的大小以及特性的线性程度,（四）机械特性和调节特性,1.,机械特性,控制电信号一定时，电磁转矩随转速变化的关系,对称状态,控制电压与励磁电压有效值相等且相位上相差,90,o,电角度,在,不对称状态,下运行，气隙合成磁场是一个,椭圆形磁场,。其椭圆度或不对称度与控制方式、控制电信号的大小有关,机械特性应在一个,表征控制电信号的系数（特性系数）,为一定值的条件下求得有效信号系数,e,：,控制电压,U,c,与归算到控制绕组的电源电压,U,s,之比,11,幅值控制方式：,电源电压就是励磁电压，,相位控制方式：,控制电压与归算到控制绕组的电源电压即励磁电压大小相等，但在相位上滞后于电源电压,电角度，故,幅值控制,相位控制,控制电信号越小，则,e,越小，机械特性越下移，理想空载,(T=0),转速随之减小,T,输出转矩对起动转矩的相对值,v,转速对同步转速的相对值,12,幅,相控制方式,U,c,和,U,s,同相位，大小在变,励磁绕组回路中串联电容,C,进行分相，,U,f,U,s,调节控制电压,U,c,幅值，由于转子绕组的耦合作用，,I,f,及,U,f,随之改变，因此,U,c,和,U,f,的大小和它们之间的相位也会随之改变,幅,相控制,按照起动时使气隙合成磁场为圆形旋转磁场的要求选择电容,C,，此时的控制电压为,U,c0,，取有效信号系数为,优点：,幅,相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有,线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点,，因而成为使用最多的控制,方式。,13,2.,调节特性,输出转矩一定时，转速随控制电信号变化的关系,幅值控制,相位控制,幅,-,相控制,14,二 直流伺服电动机,结构：,与普通小型直流电动机相同，,为减小转动惯量，电机做得细长一些,。由于直流伺服电动机功率不大，故也可由永磁铁制成磁极，,省去励磁绕组,励磁方式：,他励（永磁铁亦认为是他励）,直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同：,励磁绕组通入电流，产生磁通,电枢绕组通入电流，电枢电流与磁通作用产生转矩,当两个绕组中的一个断电时，电动机停转,直流伺服电动机没有交流伺服电动机的“自转”现象,（一）工作原理,15,交流伺服电动机：,励磁绕组和控制绕组均装在定子上，两种绕组作用互换，性能不会出现差异,（二）控制方式及其特性,直流伺服电动机：,励磁绕组和电枢绕组分别装在定子和转子上，两种绕组作用互换,改变电枢绕组端电压,或,改变励磁电流,，两种调速方法的特性不同，性能就出现差异,直流伺服电动机的控制方式：,电枢控制,由励磁绕组励磁，用电枢绕组进行控制,磁场控制,由电枢绕组励磁，用励磁绕组进行控制,两个假设：,磁路不饱和，不计电枢反应,16,1.,电枢控制时直流伺服电动机的特性,控制方式：,励磁绕组,接直流励磁电压,U,f,电枢绕组,接控制电压,U,c,，作为,控制绕组,当控制绕组中通入控制电压，电动机开始,转动,；控制电压消失，电动机停转,机械特性：,与,他励式直流电动机改变电枢电压时,的人为机械特性相同，即：,规定信号系数为,17,定义,T,eB,为控制电压等于励磁电压且电枢不动时的转矩（,即,=1,，,n=0,）：,定义,n,B,为控制电压等于励磁电压时的理想空载转速（,即,=1,，,T,e,=0,）：,机械特性：,T,e,=f,(n),T,e,/T,eB,=,f,(n/n,B,),可见，当,=,常数时，其机械特性是线性的。,18,调节特性：,n=,f,(,),v=,n/n,B,=,f,(,),可见，当,T=,常数时，其调节特性也是线性的。,电枢控制时直流伺服电动机：,两个主要特性（机械特性和调节特性）都是线性的；,并且特性的线性关系与电枢电阻无关,这种特性是很可贵的。,19,2.,磁场控制时直流伺服电动机的特性,控制方式：,电枢绕组,接直流励磁电压,U,f,励磁绕组,接控制电压,U,c,，作为,控制绕组,当控制绕组中通入控制电压，电动机开始,转动,；控制电压消失，电动机,停转,机械特性：,在两种控制方式中，,励磁电压,U,f,和控制电压,U,c,所施加的绕组互换,，即：,仍规定信号系数为,20,机械特性：,T,e,=,f,(n),T,e,/T,eB,=,f,(n/n,B,),可见，当,=,常数时，其机械特性是线性的。,调节特性：,n=,f,(,),v=,n/n,B,=,f,(,),可见，当,T=,常数时，其调节特性不再是线性的。,21,磁场控制时直流伺服电动机：,机械特性：当,1,时，磁场控制的机械特性较为平坦。也就是说，在转速变化较大时，转矩变化较小,这种特性在某些场合也是可贵的。,调节特性：磁场控制的调节特性不是线性的，且在,T=T,e,/,T,eB,=0,0.5,范围内不是单值函数，每个转速对应两个信号系数,这是磁场控制最严重的缺点。,电枢控制方式的机械特性和调节特性是线性的，励磁功率较小，时间常数较小，响应迅速。因此，,直流伺服电动机多采用电枢控制方式,。,22,第二节 测速发电机,用途：,检测机械转速信号,输入是转速，输出是与转速成正比的电压信号,要求：,1,）高精度,输出电压与转速成严格的线性关系,2,）高灵敏度,转速变化引起的输出电动势的变化大，即输出电动势斜率大,类型：,直流,交流,异步测速发电机,同步测速发电机,23,一、交流异步测速发电机,交流异步测速发电机的,结构与交流伺服电动机完全一样,转子结构,有笼型、杯形，在控制系统中多用空心杯转子,异步测速发电机定子上有两个在空间上相互差,90,电角度的绕组,，一为,励磁绕组,，另一为,输出绕组,（一）结构及工作原理,1.,结构,24,当电机励磁绕组加入,恒频恒压励磁电压,，励磁绕组中有电流，在,d,轴上产生脉振的磁动势,在n=0,，脉振磁通在空心杯转子中感应,出,变压器,电动势,（,空心杯,相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组），产生与励磁电源同频率的脉振磁场，,其轴线,也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链，不产生感应电动势，输出电压,U,2,=0,。,2.,工作原理,25,旋转感应电动势在转子导条中产生感应电流,感应电流产生交变磁通,q,的轴线与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应产生变压器电动势,E,在n0,，在转子转动时，转子切割,d,轴磁通，在杯,形,转子中产生,旋转,电动势,，其大小正比于转子转速。,将上、下两个半圆周上的导条等效为一个线圈，轴线与输出绕组轴线重合。,气隙脉振磁密：,等效线圈中的旋转感应电动势,26,理想情况：,输出电压与转轴的转速成严格的线性关系,输出电压和励磁电压同相,转速为零时，没有输出电压,实际情况：,测速发电机的定子绕组和转子杯参数受温度变化和工艺因素的影响，会造成输出电压线性误差、相位误差以及产生剩余电压,线性误差：,由于励磁绕组轴线上产生的磁通,d,变化使测速发电机产生线性误差,相位误差：,由于励磁绕组的漏抗、空心杯转子的漏抗使输出电压与励磁电压的相位不同,剩余电压：,实际运行中，转子静止时，测速发电机输出一个较小的电压,（二）主要误差,27,结构,直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同,采用他励式励磁方式,原理,在恒定的磁场,o,中，外部的机械转轴带动电枢以转速,n,旋转，电枢绕组切割磁场从而在电刷间产生电动势,E,o,二、直流测速发电机,（一）结构及工作原理,空载时，直流测速发电机的输出电压等于电枢电动势，即,U,0,=E,0,。,有负载时，若电枢电阻为,R,a,，,负载电阻为,R,L,，,则直流测速发电机的输出电压为,28,（二）误差,理想情况：,输出电压与转轴的转速成严格的线性关系,实际情况：,一些因素引起 的变化破坏了输出电压与转轴的转速之间的线性关系,环境温度变化引起励磁绕组电阻变化，从而引起励磁电流及磁通 的变化,负载时的电枢反应引起发电机内磁场的变化,电刷与换向器的接触电阻随负载电流变化而变化，从而引起电枢回路总电阻的变化,29,第三节 自整角机,自整角机是一种对角位移或角速度的偏差能够自动地整步的一种控制电机。,两个或两个以上的组合自整角机能将转轴上的转角信号变为电信号，或者再将电信号变换为转轴的转角信号，使机械上互不相连的两根或几根转轴,同步偏转,或旋转，以实现,角度信号的传输、变换和接收,。,30,第四节 旋转变压器,旋转变压器,是一种可以旋转的变压器，在励磁绕组（即一次绕组）以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组（即二次绕组）的输出电压可与转子转角成正弦或余弦函数的关系，或在一定转角范围内成线性关系,输出电压与转子转角成正弦或余弦函数关系的，称为,正弦或余弦旋转变压器,输出电压与转子转角成线性关系的称为,线性旋转变压器,定子和转子铁心上分别安装有两个在,空间上互相垂直的绕组,，通常设计为,2,极，转子绕组经电刷和集电环引出。,31,力矩电动机：,将输入电信号转变为转轴上的转矩来执行控制任务的电机,特点：,低转速、大转矩，无需减速装置，直接带动负载，提高了控制系统的精度和稳定性,类型：,直流、交流,一、直流力矩电动机,分类：,电磁式和永磁式,结构特点：,扁平形，电枢长度与直径之比约,0.2,左右。,运行性能：,反应快速,高线性度,高精度低速运行：低速，能在堵转下运行,高耦合刚度：可直接套在负载的轴上,第五节 力矩电动机,32,二、交流力矩电动机,分类：,异步和同步，主要用异步,结构：,扁平形，转子常用笼型,性能特点：,功率因数低,效率低,低速运行：低速，能在堵转下运行,33,本章小结,掌握,交直流伺服电动机的工作原理和控制方法,掌握,测速发电机的工作原理,了解,自整角机、旋转变压器、力矩电动机的用途,34,第七章 结束,35,