第4章特种电机.ppt
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1、,直流测速发电机结构与普通小型直流发电机相同,按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。,其原理图如图,在恒定磁场中,电枢以转速n旋转时,电枢上的导体切割磁通0,在电刷间产生空载感应电动势E0。,在空载时,即电枢电流Ia=0,其输出电压就是空载感应电动势,即U0=E0,因而输出电压与转速成正比。,在负载时,因电枢电流Ia0,若不讲电枢反应的影响,直流测速发电机的输出电压为U=E0-IaRa,电枢电流为,以上三式整理得,第四部分 特种电机,4.1.1 直流测速发电机,在理想情况下,Ra、Rz和 均为常数,直流测速发电机的输出电压U与转速n仍成线性关系。对于不同的负载电阻,测速发电机的输出特性的斜率也有
2、所不同,它随负载电阻的减小而降低,如图。,4.1.2 交流异步测速发电机,空心杯形转子异步测速发电机结构和杯形转子伺服电动机相似,转子是一个薄壁非磁性杯,通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90电角度,其中一相作为励磁绕组,外施稳频稳压的交流电源励磁;另一相作为输出绕组,其两端的电压即为测速发电机的输出电压,如图。,转子不动时 d轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电动势,这一变压器电动势将产生转子电流,此电流所产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上,阻碍1的变化,所以合成磁通仍为沿d轴的磁通d。而输出绕组的轴线和励磁绕组轴线空间位置相关90电角
3、度,它与d轴磁通没有耦合关系,故不产生感应电动势,输出电压为零。,当电机的励磁绕组外施电压U1时,便有电流I1流过绕组,在电机气隙中沿励磁绕组轴线(d轴)产生一频率为f的脉动磁通1。,4.1.3 选择时应注意的问题,在选用时,应根据系统的频率电压、工作转速和具体用途夹选择交流测速发电机的规格,用作解元件的应着重考虑精度要高,输出电压稳定性好;用于一般转速检测或作阻尼元件时,应着重考虑输出斜率要大。,与直流测速发电机比较,交流异步测速发电机 优点:结构简单,维护容易,运行可靠;没有电刷和换向器,因而无滑动接触,输出特性稳定、精度高;摩擦力矩小,转动惯量小;正反转输电压对称。 缺点:存在相位误差和
4、剩余电压;输出斜率小;输出特性随负载性质(电阻、电感、电容)而有不同。,当使用直流或交流测速发电机都能满足系统要求时,则需考虑到它们的优缺点,全面权衡,合理选用。,4.2.1 直流伺服电动机,4.2.1.1 结构和分类,直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。按结构可分成传统型和低惯量型两大类。,2低惯量型直流伺服电动机,一般有杯形电枢、圆盘电枢、无槽电枢等结构形式。,低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻,转动惯量小,响应快速。,4.2.1.2 控制方式,把电枢电压作为控制信号,对电动机的转速进行控制,这种控制方式称为电枢控制式,电枢绕组称为控制绕组,电枢电压称为控制电压。,直流伺服电动
5、机也可以采用磁场控制方式,即磁极绕组作为控制绕组,接受控制电压,而加在电枢绕组上的电压恒定。 电枢控制较磁场控制具有较多的优点,因此自动控制系统中大多采用电枢控制,磁场控制只用于小功率电动机中。,4.2.1.3 运行特性,电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图。为分析简便,作如下假设: 电机磁路不饱和,即认为电机的磁化曲线为一直线。 略去负载时电枢反应的影响。,以上三式可得直流伺服电动机的转速公式,由直流电动机可得,一、机械特性,机械特性是指控制电压恒定时,电动机的转速与电磁转矩的关系,即UK=常数时,n=f(T)。,由转速公式或机械特性都可以看出,随着控制电压UK增大,电动机的机械特性曲线平
6、行地向转速和转矩增加的方向移动,但是它的斜率保持不变,所以电枢控制时直流伺服电动机的机械特性是一组平行的直线。,电枢控制式直流伺服电动机的机械特性如图。机械特性与纵轴的交点为电动机的理想转速n0,即,与横轴的交点为电动机的堵转转矩TK,二、调节特性,调节特性是指电磁转矩恒定时,电动机的转速与控制电压的关系,即T=常数时, n=f(UK)。,从图中看出这些调节特性曲线与横轴的交点,表示在一定负载转矩时电动机的始动电压,若负载转矩一定时,电动机的控制电压大于相对应的始动电压,它,调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区,显然,失灵区的大小是与负载转矩成正比
7、的。,便能转动起来并达到某一转速;反之,控制电压小于相对应的始动电压,由电动机的最大电磁转矩小于负载转矩,它就不能起动。,以上特性曲线是在两个假设的前提下得到的,实际的直流伺服电动机的特性曲线只是一组接近直线的曲线。,4.2.2 交流伺服电动机,4.2.2.1 基本结构,交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机,其定子两相绕组在空间相距90电角度,它们可以有相同或不同的匝数。定子绕组的一相作为励磁绕组,运行时接到电压为Uf的交流电源上,另一相作为控制绕组,输入控制电压UK。电压UK与Uf同频率,一般采用50HZ或400HZ。,常用的转子结构有两种形式: 一种为笼型转子,这种转子结构如同普通笼型
8、感应电动机一样,但是为了减小转子的转动惯量而做成细而长。 另一种为非磁性空心杯转子,这种结构电动机中除了和一般感应电动机一样的定子外,还有一个内定子。,12.2.2 工作原理,一量控制绕组有信号电压,一般情况下,两相绕组中电流产生的磁动势Ff和Ff是不对称的,则电动机内部便建立起椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场分解为两个速度相等、转向相反的圆形旋转磁场,但它们大小不等,因此转子上两个电磁转矩也大小不等,方向相反,合成转矩不为零,这样转子就不再保持静止状态,而随着正转磁场的方向转动起来。,两相交流伺服电动机在转子转动后,当控制信号电压UK消失时,按照可控性的要求,伺服电动机应立即停转,但此时电
9、动机内部建立的是单相脉振磁场,根据单相异步电动机工作原理,电动机将继续旋转,这种现象称之“自转”。,“自转”现象在自动控制系统中是不允许存在的,解决的办法是增大转子电阻。,由图中曲线中知,随着转子电阻增大,机械特性更接近线性关系。因此,为了使两相并流伺服电动机达到调速范围大和机械特性线性的要求,也必须使其转子具有足够大的电阻值。,一般的异步电动机,其机械特性如图中曲线1所示它的稳定运行区仅在转差率S从0到Sm这一区间,因Sm约为0.10.2,所以电动机的转速可调范围很小。,如果增大转子电阻,使其产生最大转矩的转差率Sm1,这样,电动机的机械特性就如图中,曲线2所示,相应于电动机的转速由零到同步
10、转速的全部范围内均能稳定运行。,4.2.2.3 控制方式,一、幅值控制 调节控制电压的大小来改变电动机的转速,而控制电压UK与励磁电压Uf之间的相位角保持90电角度,通常UK滞后于Uf。当控制电压UK=0时,电动机停转,即n=0。,二、相位控制 调节控制电压的相位(即调节控制电压与励磁电压之间的相位角)来改变电动机的转速,而控制电压的幅值保持不变,当=0时,电动机停转。,三、幅值一相位控制(或称电容移相控制) 将励磁绕组上仍外施励磁电压Uf=U1-Uca,控制绕组上仍外施控制电压UK,而UK的相位始终与U1同相。当调节控制电压UK的幅值来改变电动机的转速时,使励磁绕组的电流If也发生变,化,致
11、使励磁绕组的电压Uf及电容C上的电压Uca也随之改变。这就是说,电压UK及Uf的大小及它们之间的相位角也都随之改变。所以这是一种幅值和相位的复合控制方式。若控制电压UK=0,电动机就停转。 这种控制方式是利用串联电容器来分相的,它不需要复杂的移相装置,所以设备简单,成本较低,成为最常用的一种控制方式。,12.2.4 运行特性,一、机械特性 机械特性是控制电压UK不变时,电磁转矩与转速的关系。,交流伺服电动机的机械特性,上图中m为输出转矩对起动转矩的相对值,v为转速对同步转速的相对值。 从机械特性看出,不论哪种控制方式,控制电信号越小,机械特性就越下移,理想空载转速也随之减小。,12.2.4 调
12、节特性,两相交流伺服电动机的调节特性是指电磁转矩不变时,转速随控制电压大小变化的关系。,12.3 交、直流伺服电动机的性能比较,一、机械特性 直流伺服电动机的机械特性是线性的,转矩随着转速的增加而均匀下降,在不同控制电压影响很小。 交流伺服电动机机械特性是非线性的,电容移相时机械特性非线性度更加严重,而且特性的斜率是随着控制电压的不同而变化的,机械特性很软,转矩的变化对转速的影响很大,特别低速段更是如此。机械特性软会削弱内阻能力(即阻尼系数减少),增大时常数,因而降低系统的品质,而机械特性斜率的变化,会给系统的稳定和校正带来困难。,二、体积质量和效率,为了满足控制系统对电动机要求,交流伺服电动
13、机转子电阻就得相当大,这样损耗就大,效率低,电动机利用程度差,而且电动机通常是运行在椭圆磁场的情况下,负序磁场产生的制动转矩使电动机的有效转矩减小。交流伺服电动机只适用小功率系统,而对于功率较大的控制系统,则普遍采用直流伺服电动机。,三、“自转”现象 直流伺服电动机无“自转”现象,而交流伺服电动机若参数选择不适当,或制造工艺不良,在单相状态下会产生“自转”。,交流伺服电动机结构简单,运行可靠,维护方便,适宜在不易检修的场合使用。 直流伺服电动机由于有电刷和换向,因而结构复杂、制造麻烦。电刷与换向器之间存在滑动接触,电刷的接触电阻也不稳定,这些都会影响到电动机的稳定运行。,四、结构,五、放大器装
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