步进电机及其工作原理 电机的工作原理及特性.ppt
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1、步进电机及其工作原理,步进电机外形结构,常见步进电机外形构造,步进电机内部结构,步进电机内部结构,步进电机的内部构造,步进电机分类, 按照力矩产生原理分类 激磁式 反应式 混合式 按照定子数目分类 单定子 双定子 多定子 按照定子励磁相数分类 三相 四相 五相 六相 按照各相绕组的分布规律分类 径向分相 (垂轴式) 轴向分相 (顺轴式),三段式(三定子)轴向分相步进电机,1 线圈 2 定子 3转子,单段反应式步进电机,单段反应式步进电机的工作原理 内部结构,反应式步进电机的内部结构横剖面示意图,A相定子绕组通电形成磁场,单段反应式步进电机的工作原理 磁场形成,步进电机节拍运动动画,单段反应式步
2、进电机的工作原理 节拍运动动画,步距角: 步进电机的定子绕组每改变一次通电状态,转子转过的角度称步距角。,单相轮流通电(M相单M拍) 顺时针轮回 ABCA 逆时针轮回 ACBA 双相轮流通电(M相双M拍) 顺时针轮回 ABBCCAAB 逆时针轮回 BAACCBBA 单双相轮流通电(M相2M拍) 顺时针轮回 AABBBCCCAA 逆时针轮回 AACCCBBBAA,单段反应式步进电机的工作原理 定子的通电方式,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序: ABCA 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺
3、序: ACBA 转子旋转方向: 逆时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序: ABBCCAAB 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序: BAACCBBA 转子旋转方向: 逆时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序: AABBBCCCAA 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序: AACCCBBBAA 转子旋转方向:逆时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: ABCA 转子旋转方向: 逆时针 步距角:,单段反应式步
4、进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: ACBA 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: ABBCCAAB 转子旋转方向: 逆时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: BAACCBBA 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: AABBBCCCAA 转子旋转方向:逆时针 步距角:,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序: AACCCBBBAA 转子旋转方向: 顺时针 步距角:,步距角: 步进电机的定子绕组每改变一次通电状态,转子转过的角度称步距角。
5、转子齿数越多,步距角 越小 定子相数越多,步距角 越小 通电方式的节拍越多,步距角 越小,式中:m 定子相数 Z 转子齿数 C 通电方式 C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2 单、双相轮流通电方式,常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿,即有 三相步进电机: 五相步进电机:,转子转动的原因分析,转子转动的原因分析,步进电机的实际结构,步进电机的实际结构,步进电机展开结构,实际步进电机转动的模拟, 控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移,结论, 控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速,
6、 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动 方向,步进电机的驱动控制,步进电机的驱动控制,功率 放大 器,环形 分配 器,加减 速 电路,脉冲 混合 电路,加减 脉冲 分配 电路,进给 脉冲,至步进 电机绕阻,1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲,3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲,频率的变化要平稳,加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平
7、信号,电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 5. 功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大,一般由前置放大器和功率放大器组成。,步进电机的驱动控制,将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列 脉冲的装置叫环行分配器。 环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。,环行分配器,环行分配器的工作原理,硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有 几相就需要几个序列脉冲,所以步进电机有几相,就要设置 几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲,用 来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。 触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的 位移驱动信号x或y。
8、,三相单三拍工作方式:ABCA 当QA有输出A,就使步进电机的A相通电, 当QB有输出B,就使步进电机的B相通电, 当QC有输出C,就使步进电机的C相通电。 输出波形如下,环行分配器的工作原理,如果用D触发器,则触发器的输入端就是D端,它的信号也 取自触发器本身,不过这中间还要加一定的外接无源电路。触 发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起,构成一个封 闭的整体环形电路,只要有x这个单序列脉冲它就能连续不断 地输出A、B、C,这就是我们把它称为环行分配器的道 理。即环行就是触发器的输入由其输出连接,分配就是根据步 进电机定子绕组的通电顺序要求对x的序列脉冲进行再分配。 所以也常直接称其为脉
9、冲分配器。,环行分配器的工作原理,第1章 电动机的工作原理及特性,掌握直流电动机的电势方程式,转矩方程式和电压平衡方程式;三相异步电动机的同步转速和转差率的概念; 掌握电动机的机械特性,特别是人工机械特性; 掌握电动机起动,制动,调速的各种方法和应用场所; 了解用机械特性来分析电动机运行状态的方法; 了解常用控制电机的应用场合.,1.1直流电机的工作原理及特性,1.直流电机的基本结构,主磁极,电枢,换向器,电刷装置,直流电机的结构图,剖面图:电枢1; 主磁极2;换向 极4;机座6,电枢铁心冲片,换向器:换向片3; 连接片4;云母环2,2.直流电机的基本工作原理,发电机,电动机,简化为一对磁极,
10、一个线圈,1)感应电势E,2.直流电机的基本方程式,2)电磁转矩T,- 一对磁极的磁通(Wb); n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.,式中:E-电动势(V);,-一对磁极的磁通(Wb); Ia-电枢电流(A); Kt-与结构有关的常数.,式中: T-电磁转矩(Nm);,3.直流电动机的机械特性,1.他激和并激直流电动机的机械特性 1)原理电路图,1)直流电动机机械特性方程式,直流电动机电枢电压平衡方程式,上式为直流电动机机械特性的一般表达式,式中,Ra为电枢电阻.以,代入得:,由,将Ia值再代入,得:,机械特性曲线n=f(T),4.固有(自然)机械特性和人工机械特性 1)
11、他激直流电动机的自然机械特性(正转) 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性.,额定负载时,转速降落不多,是硬特性;,金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机.,2)自然机械特性曲线的作法 已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra, Ke ,(1)电枢电阻Ra的估算:,(2)理想空载转速no计算:,(3)额定转矩Nn的计算:,no,TN,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运行点(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.,3)举例,(1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额
12、定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性. 解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性.,=0.71,=0.132,=1667r/min,=35Nm,4)电动机人工机械特性(三种),(1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的人工机械特性方程式:,附加电阻Rad越大,机械特性越软.,(2)改变电枢电压的人工机械特性,U改变,但转速降不变 .因此,变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线. 只允许在额定电压以下调节. 在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用.,随U的变化而变化,(3)改变
13、磁通的人工机械特性,从机械特性方程可知,改变磁通时,电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化. 磁通只能在额定值以下调节,理想空载转速和转速降落都要增大-弱磁增速. 使用中,要防止电动机过载,更要防止飞车,因此,直流他激电动机设有失磁保护.,串激直流电动机的机械特性,1)特点:电枢电流就是激磁电流. 2)机械特性分析: 第一段,电动机轻载时,机械特性具有双曲线的形状,理想空载转速趋近无穷大. 第二段,电动机负载较重时,磁路趋于饱和,机械特性近似一条直线. 3)注意事项: 直流串激电动机不允许空载运行-飞车事故.,4 直流他激电动机的起动特性,直流他激电动机的起动电流是额定电流的(1
14、0-20)倍,不允许直接起动.限制其起动电流的方法有两种. 1.降压起动: 组成SCR-M自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点. 2.电枢电路串外接电阻起动 右图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图和起动特性, 其起动特性就是前面刚刚学习过的一种人工机械特性.,5.直流他激电动机的制动特性,直流他激电动机的工作状态分为电动状态和制动状态,如右图所示. 图中,(a)为电动状态; (b)为制动状态. 1)特点:电动机的转矩T与转速n方向相反,电机处于发电工作状态. 2)制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态. 3)制动方法有3种: 反馈制动; 反接制动; 能耗制动.,1.反馈制动,
15、1)实现条件:外部作用使电动机的转速n大于其理想空载转速no.如,电车下坡,起重机下放重物. 2)机械特性:正转时,是第一象限的机械特性在第二象限内的延伸,如右图所示.,3)特点: (1)利用位能转矩带动电动机发电,将机械能变成电能,向电源馈送. (2)重物下放时电动机的转速仍高于理想空载转速,运行不太安全.,2.反接制动,1)实现条件:电枢电压或电枢电势反向. 2)分类: (1)电源反接制动.改变电枢电压U的方向所产生的制动. 机械特性方程式为;,为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上.,(2)倒拉反接制动
16、.改变电枢电势方向所产生的制动. 如:起重机的重物下降时,电枢反转,电势反向.此时,位能负载转矩TL使重物下放,电动机转矩TM反对重物下放-制动. 特点:适当选择电枢电路中的附加电阻,可以得到低的转速,保证安全; 转速稳定性较差. 制动特性如右图所示.是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸.,反接制动,3.能耗制动,1)实现条件:将电枢电压突然降为零,串一外接电阻使电枢短接.此时电动机继续旋转产生的转矩T与n反向-制动. 2)特点:制动时的机械能转变为电能使外接电阻发热而消耗,称之为“能耗”; 稳定性好,电动机不可能反向起动. 3)应用:要求迅速准确停车的场合;重物恒速下放.,6
17、.直流他激电动机的调速特性,由直流他激电动机人工机械特性方程式 直流电动机的调速方法: 式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 .,1.改变电枢电路外接电阻调速,电动机电枢电路串电阻后,其人工机械特性如右图示.,1)应用: 起重机,卷扬机; 2)缺点:机械特性软,实现无级调速困难; 3)注意:串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻与调速电阻不同.,2.改变电动机电枢供电电压调速,变电枢电压调速的机械特性如右图.,1)特点:容易实现无级调速;机械特性是一组平行线,硬度不变;不需用其他起动设备. 2)应用;适用于
18、恒转矩负载,组成SCR-M系统,在工业生产中广泛应用.第11章将重点学习.,3.改变电动机主磁通调速,变磁通调速的机械特性如右图示.,1)特点:可以实现无级调速;机械特性软;调速范围不大. 2)应用:适用于恒功率负载.一般与调压配合使用. 3)注意:在额定转速以上调节-弱磁增速.,例题,例:一台直流他激电机的额定数据为;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7欧 ;如果电动机在额定转矩下运行,求(1)电动机的电枢电压降到180V时,电动机的转速是多少?(2)激磁电流If=IfM(即磁通为额定值的0.8时)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串
19、入2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少? 解:,(1)此时,U=180V,Ra=1.7欧,=14,例题求解,(2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧,(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7,(以上转速单位为r/min),1.2三相异步电动机的工作原理及特性,1).三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙. (1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成. 铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成; 三相绕组连接成星形或三角形; 机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心. (2)转子 转子由铁心和绕组组成. 转
20、子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上; 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种. 线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构.,鼠笼式三相异步电动机的结构示意图,5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座,鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线,2).三相异步电动机的工作原理,(1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速; (2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势; (3)转子绕组中感生电流; (4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了. 电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就
21、没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步. 设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为 ; no-n; 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且,3).三相异步电动机的旋转磁场,(1)旋转磁场的产生 设电动机为2极,每相绕组只有一个线圈.,在0-T/2这个区间,分析有一相电流为零的几个点. 规定:当电流为正时,从首端进尾端出;电流为负时, 从尾端进首端出.,t=0时,iA=0;iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从Y端流到B端;iC为正,电流实际方向与正方向一致,即电流从C端流到Z端。按右
22、手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场,如图(a)中箭头所示。,t=0时,iA=0;iB为负,iC为正,t=T/6时,t=T/6=/3,iA为正(电流从A端流到X端);iB为负(电流从Y端流到B端);iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示,合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。,t=T/6时,t=T/6=/3,iA为正;iB为负;iC=0,此时的合成磁场如图(c)所示,合成磁场已从t=0瞬间 所在位置顺时针方向旋转了2/3。,t=T/3时,t=T/3=2/3,iA为正;iB=0;iC为负,此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。按以上分析可以证明
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