機(jī)械電子學(xué)-電機(jī)（8-10章）.ppt

1、第八章 直流電動(dòng)機(jī),與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如交流異步機(jī)方便，而且要使用直流電源。,直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造,極掌,極心,勵(lì)磁繞組,機(jī)座,轉(zhuǎn)子,直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路,直流電機(jī)由定 子(磁極)、轉(zhuǎn)子 (電樞)和機(jī)座等 部分構(gòu)成。,8.1 直流電機(jī)概述,1. 轉(zhuǎn)子（又稱電樞） 由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。,2. 定子,定子的分類：,勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電 產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。,8.1 直流電機(jī)概述,根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：,他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。,并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。,串勵(lì)

2、電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。,復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。,8.1 直流電機(jī)概述,工作原理,電刷,集電環(huán),8.1 直流電機(jī)概述,觀看工作過程演示,8.1 直流電機(jī)概述,汽車用起動(dòng)機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制裝置三部分組成。,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,1. 調(diào)速均勻平滑，可以無級(jí)調(diào)速(注：交流異步電機(jī)改變極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法叫有級(jí)調(diào)速)。 2. 調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200 以上(調(diào)速比等 于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）,因此機(jī)械變速 所用的齒輪箱可大大簡(jiǎn)化。,主要優(yōu)點(diǎn)：,由轉(zhuǎn)速公式:,可見直流電機(jī)調(diào)速方法有三種。,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,可見：在U 一

3、定的情況下，改變可改變轉(zhuǎn)速n 。,改變磁通調(diào)速,保持電樞電壓U不變，改變勵(lì)磁電流If (調(diào)Rf)以改變磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用減少勵(lì)磁電流(減弱磁通)的方法調(diào)速, 即：,改變磁通調(diào)速的方法：,減小磁通，n只能上調(diào)。,改變時(shí)的機(jī)械特性如圖。,(1)調(diào)速平滑，可得到無級(jí)調(diào)速；但只能向上調(diào)，受 機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。 (2) 調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，電流小，便于控制。 (3) 機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 (4) 對(duì)專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動(dòng)機(jī),其調(diào)速幅度可達(dá), 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,減小 調(diào)速的特點(diǎn)：,(1) 若調(diào)速后 Ia 保持不變，電動(dòng)機(jī)

4、在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。 (2) 這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機(jī) 床)。,使用調(diào)磁調(diào)速時(shí)應(yīng)注意：,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,改變電壓調(diào)速,由轉(zhuǎn)速公式知： 調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。,(3)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級(jí)調(diào)速。,(4)調(diào)速幅度較大。,調(diào)速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費(fèi)用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,改變電壓調(diào)速的特點(diǎn):,(1)工作時(shí)電壓不允許超過UN ，而n U, 所以調(diào)速只能

5、向下調(diào)。,(2)機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。,電樞回路串電阻調(diào)速,電樞中串入電阻,使 n 、 n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n。特性曲線如圖。,電樞回路串電阻調(diào)速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉(zhuǎn)速下降，因此 n 只能下調(diào)。,特點(diǎn)：(1) 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。,(2)機(jī)械特性軟，穩(wěn)定性差。,(3)能量損耗大，只用于小型直流機(jī)。,8.2 直流電機(jī)調(diào)速,一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 1、對(duì)起動(dòng)性能的要求： Tst足夠大 Ist盡量小（小于允許值）,8.3 直流電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)不允許在額定電壓UN下直接起動(dòng)。,8.3 直流電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng),Ias

6、t太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；,起動(dòng)時(shí),n =0 ,2. 起動(dòng)問題：,(1) 起動(dòng)電流大,(2) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為(1020)TN , 造成機(jī)械沖擊，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遭受損壞。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,(1) 電樞串電阻起動(dòng)法,(2) 降壓起動(dòng)法：,直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,最大起動(dòng)電壓Ust為,3.起動(dòng)方法,8.3 直流電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng),4.注意事項(xiàng),(1)如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KT Ia

7、) , 電機(jī)將不能起動(dòng)，這時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流 很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。,(2)如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(lì)磁回路，反電動(dòng)勢(shì) E立即減小而使電樞電流增大，同時(shí)由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。,(3)如果電機(jī)在空載運(yùn)行，可能造成飛車，使電機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。,（ E Ia T T0 n飛車）,8.3 直流電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng),二、直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)（電磁制動(dòng)） 一般保持原磁場(chǎng)大小，方向不變。 能耗制動(dòng) 反接制動(dòng) 回饋制動(dòng),8.3 直流電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng),8.3 直流電機(jī)的反轉(zhuǎn),例：串勵(lì)的

8、單相手電鉆，利用勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向同時(shí)改變時(shí)而轉(zhuǎn)向不變的原理，采用特別的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。,電磁轉(zhuǎn)矩：T=KT Ia,(1) 改變勵(lì)磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時(shí)變。,改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：,8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),一. 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo) 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)： 功能： 電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？ 對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可；當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者

9、使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。 需不需要調(diào)速？ 如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。,8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),性能：對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。 2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。 3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電

10、路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。 4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。 5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號(hào)，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。,8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),一. 低壓驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅(qū)動(dòng),8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),二. 三極管-電阻作柵極驅(qū)動(dòng),8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),三. 其它幾種驅(qū)動(dòng)電路,1.繼電器半導(dǎo)體功率器件 繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。在需要實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，也可以充分利用繼電器。有一個(gè)方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向

11、，而用單個(gè)的特大電流場(chǎng)效應(yīng)管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速,如下右圖所示。這樣是實(shí)現(xiàn)特別大電流驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖,線圈接線如下中圖：,8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),三. 其它幾種驅(qū)動(dòng)電路,1.繼電器半導(dǎo)體功率器件,8.4 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),三. 其它幾種驅(qū)動(dòng)電路,2. 幾種驅(qū)動(dòng)芯片 L298參考 A3952參考 A3940參考 L6203參考 ,直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),額定值 是制造廠對(duì)各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證各電氣設(shè)備長(zhǎng)期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額

12、定值也是制造廠和用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。,8.5 直流電機(jī)的額定值,額定功率 PN指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時(shí),則用 kW 或 MW 表示。 對(duì)于直流電機(jī)，PN是指輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在。PNUNINN,8.5 直流電機(jī)的額定值,直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),額定電壓 UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流 IN指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉(zhuǎn)速 nN指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/mi

13、n為量綱單位。 額定勵(lì)磁電流 If指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。,8.5 直流電機(jī)的額定值,交流電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī),他勵(lì)、異勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì),第九章 交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1.1 三相異步機(jī)的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子：在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下， 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或 電流。,三相定子繞組：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)。,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),定子鐵芯:是電機(jī)磁路的一部分，定子鐵芯內(nèi)圓上均勻開有槽，安放定子繞組。 機(jī)座:是用作固定與支撐定子鐵芯。 定子繞組:是電機(jī)電路部分，它由三個(gè)在空間相差120電角度、結(jié)構(gòu)相同的繞組連接而成，按一定規(guī)律嵌放在定子槽中。 繞組分類：?jiǎn)螌永@組和雙層繞組。 繞組

14、應(yīng)用：?jiǎn)螌永@組一般用在10kV以下的電機(jī)，雙層短距繞組用在較大容量的電機(jī)中。,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),極距是指每一磁極所占定子內(nèi)圓周的距離，即有 節(jié)距y是指線圈兩有效邊之間的距離。單層繞組是整距繞組，即有y= 每極每相槽數(shù)q是指一個(gè)磁極下一相繞組所占有的槽數(shù)，即有：,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),相帶：是指一相繞組在一個(gè)磁極下連續(xù)所占的范圍。 機(jī)械角：電機(jī)圓周空間角度為360或?yàn)?弧度，稱這種角度為機(jī)械角。對(duì)于一對(duì)磁極由NSN變化一周相當(dāng)于360電角度或?yàn)?電弧度。當(dāng)電機(jī)有p對(duì)磁極時(shí)，電角度=p機(jī)械角。 分析：每一磁極占180電角度，三相繞組的每相繞組在一個(gè)極下只占三分之一，即60相帶。

15、,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1.2 交流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理: 工作時(shí)定子輸入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極將轉(zhuǎn)子的異性磁極吸引，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),定子三相繞組通入三 相交流電(星形聯(lián)接),9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理,e方向用 右手定則 確定,f方向用 左手定則 確定,磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn),9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),磁極旋轉(zhuǎn),導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)線長(zhǎng),切割速度,（右手定則）,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),2. 線圈比磁場(chǎng)轉(zhuǎn)得慢,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子是閉合線圈,轉(zhuǎn)子

16、是固定磁極,同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上比異步機(jī)復(fù)雜，但比直流機(jī)簡(jiǎn)單。和同容量的直流機(jī)相比，它具有效率高，過載能力大，體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，等優(yōu)點(diǎn)，并可做到大容量、高電壓、高轉(zhuǎn)速。和異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、效率高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),同步調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn),（1）同步機(jī)需在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵(lì)磁裝置，其維護(hù)量增加。,（2）同步機(jī)的控制比異步機(jī)的復(fù)雜。,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）:,提示：如果,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),9.1.3 交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速n1與定子繞組中電

17、網(wǎng)頻率f1之間有著嚴(yán)格的關(guān)系，即： n1為同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，也是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，故稱它為同步電機(jī)。,轉(zhuǎn)差率 的概念：,異步電機(jī)運(yùn)行中:,轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之差。即：,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)：,9.1 交流電動(dòng)機(jī)原理和結(jié)構(gòu),一、三相異步機(jī)的起動(dòng)方法：,（1） 直接起動(dòng)。二三十千瓦以下的異步電動(dòng)機(jī)一般 采用直接起動(dòng)。,（3）轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)。,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,直接起動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便； 缺點(diǎn)：起動(dòng)電流大，須足夠大的電源； 適用條件：小容量電動(dòng)機(jī)帶輕載的情況起動(dòng)。 降壓起動(dòng) 如果電源容量不夠大，可采用降壓起動(dòng)。即起動(dòng)時(shí)，降低加在電

18、動(dòng)機(jī)定子繞組電壓，起動(dòng)時(shí)電壓小于額定電壓，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定數(shù)值后，再使電動(dòng)機(jī)承受額定電壓，可限制起動(dòng)電流。,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,僅適用于正常運(yùn)行為三角形聯(lián)結(jié)的電機(jī)。,Y 換接起動(dòng)適合于空載或輕載起動(dòng)的場(chǎng)合,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。,二、三相異步電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn),9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,1. 抱閘：加機(jī)械抱閘,三、 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),3. 能耗制動(dòng),4.發(fā)電反饋制動(dòng),2. 反接制動(dòng)： 停車時(shí)，將電動(dòng)機(jī)接電源的意兩相反接， 使電動(dòng)機(jī)由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來，以達(dá) 制動(dòng)的目的；,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,四、三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

19、,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,3. 改變電源頻率 (變頻調(diào)速) 無級(jí)調(diào)速,此種調(diào)速方法發(fā)展很快，且調(diào)速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。,9.2 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,9.3 變頻調(diào)速,變頻調(diào)速技術(shù)于80年代初開始在國(guó)內(nèi)開發(fā)應(yīng)用，它最典型的應(yīng)用是在電機(jī)節(jié)能領(lǐng)域。在發(fā)達(dá)國(guó)家，變頻器在電機(jī)上運(yùn)用的普及率已達(dá)到80%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，法國(guó)每一美元國(guó)民生產(chǎn)總值的能耗為8.719KJ，日本為9.797KJ，而中國(guó)卻高達(dá)43.394KJ。據(jù)日本科學(xué)技術(shù)資源廳調(diào)查會(huì)推薦，日本如果在全國(guó)采用變頻調(diào)速器可節(jié)約日本總電力的10%。,9.3 變頻調(diào)速,我國(guó)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委節(jié)約綜合利用司在1996年

20、就曾組織國(guó)內(nèi)20多名專家編寫風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造指南一書，2000年7月國(guó)家計(jì)委又組織上海江蘇兩省市節(jié)能機(jī)構(gòu)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)。在應(yīng)用方面，遼河油田采用變頻技術(shù)，安裝了25臺(tái)變頻器1818.2KW，年節(jié)約電能約602萬度，平均節(jié)電率在35%以上。近兩年來，隨著變頻器在恒壓供水、紡織、機(jī)車空調(diào)、家電行業(yè)、注塑行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用所取得的節(jié)電效益，變頻器在中國(guó)已邁入一個(gè)飛速發(fā)展和推廣普及的嶄新時(shí)代。,9.3 變頻調(diào)速,當(dāng)前，電機(jī)是我國(guó)最主要的耗電機(jī)電設(shè)備，它約占企業(yè)整體耗電量的50%左右，而對(duì)于每一個(gè)生產(chǎn)性企業(yè)而言，電費(fèi)在運(yùn)作成本中所在比率約為20-50%。因此，如何節(jié)約電能，降低成本，提高生產(chǎn)效益和企

21、業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，是每個(gè)企業(yè)家所特別關(guān)注的問題,9.3 變頻調(diào)速,變頻調(diào)速方法,頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5幾百赫茲,9.4 變頻調(diào)速原理,根據(jù),9.4 變頻調(diào)速原理,各類電力電子器件,類型,不可控器件,代號(hào),名稱,全控器件,半控器件,電流控器件,場(chǎng)控器件,功率集成電路,D,整流二極管（Diode),Th、SCR,晶閘管（Thyristor),BJT,雙極型晶體管（Bipolar Transistor),GTO,門極關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-off),P-MOSFET,電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,IGBT,絕緣柵雙極型晶體管,MCT,場(chǎng)控晶閘管,PIC,功率集成電路,1.交直交變頻調(diào)速帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻調(diào)速 2

22、.交交變頻調(diào)速不帶直流環(huán)節(jié)的直接變頻調(diào)速,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,-,-,脈沖寬度調(diào)制型,晶閘管直流開關(guān),相位控制晶閘管整流,調(diào)壓方式,電流型,電壓型,直流電源型式,通電型）,帶輔助晶閘管（,通電型）,帶輔助晶閘管（,串級(jí)二極管式,串級(jí)電感式,換流電路,交變頻調(diào)速,直,交,120,180,9.4.1變頻調(diào)速系統(tǒng)分類,l電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng),9.4.2 交直交變頻調(diào)速,1.主電路 整流器、逆變器（逆變電路和換流電路）和電容（中間環(huán)節(jié)、濾波）。,2.逆變器的換流原理 工作方式180o、120o 通電型。 以單相為例，C預(yù)充電 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通階段 開始換流階段 振蕩換流階段

23、振蕩衰減階段 反饋階段 換流結(jié)束階段。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,1) VS1、VS2主晶閘管，VS1、VS2 輔助換流晶閘管，作為L(zhǎng)C振蕩電路的充放電開關(guān)。 2) 通過觸發(fā)VS1、VS2，反向關(guān)斷VS1、VS2。 3) 通過LC串聯(lián)諧振電路中的電流反向，關(guān)斷VS1、VS2。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,l電流型變頻調(diào)速系統(tǒng),1.主電路 整流器、逆變器和直流濾波電抗器（中間環(huán)節(jié)）。 l 常用串聯(lián)二極管式逆變電路。 l電抗器濾波，輸出電流較平直，為矩形波。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,2.強(qiáng)迫換向電路 1)C為換向電容，V為隔離二極管，與主晶閘管串聯(lián)。 2)換流電路為120o導(dǎo)電型，同一相兩只

24、SCR同時(shí)導(dǎo)通，脈沖間隔（相位差）為180o。 3)兩只相鄰SCR，脈沖間隔為60o（正轉(zhuǎn)時(shí)觸發(fā)VS1、2、3、4、5、6、1，反轉(zhuǎn)時(shí)觸發(fā)VS6、5、4、3、2、1、6）。 4)兩相輪流導(dǎo)通，脈沖間隔為120o（1-3-5或2-4-6）。,注： l 電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用電容濾波，電源阻抗很小，類似電壓源。 l 電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用電抗器濾波，電源阻抗很大，類似電流源。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,l差別： 1.電流型直流側(cè)采用大電感L濾波（而形成直流源）。 2.三相整流橋、逆變器的交流側(cè)輸入電流都為120o方波交流電流。 3. L有保護(hù)性能，抑制故障電流上升。 4. 逆變橋內(nèi)無電感，簡(jiǎn)

25、化主回路。 5. 整流橋和逆變橋方向不變（反饋二極管橋不與逆變橋反并聯(lián)）。 6. 整流橋和逆變橋的直流電壓同時(shí)反號(hào)，能量返送交流電網(wǎng)，系統(tǒng)可再生。 7. 適用于頻繁加減速和變動(dòng)負(fù)載的場(chǎng)合。,9.4.2 交直交變頻調(diào)速,一般采用電壓型逆變器。 1.種類 1)變幅PWM型變頻器（直流電壓可變） l 整流器晶閘管整流器，用來調(diào)壓； l 逆變器用來調(diào)頻（輸出頻率）。 2)恒幅PWM型變頻器（直流電壓恒定） l 整流器二極管整流橋； l逆變器輸入恒定的直流電壓，調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度和頻率（實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻）。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3)特點(diǎn)： l 電路簡(jiǎn)單； l 調(diào)節(jié)速度快； l

26、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。,注： a) 改變調(diào)制周期改變輸出頻率。 b) 調(diào)制方法：?jiǎn)螛O性調(diào)制和雙極性調(diào)制。 c)按載波信號(hào) 和參考信號(hào) 頻率之間的關(guān)系分為：同步式調(diào)制和非同步式調(diào)制。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,2.單極性正弦波脈寬調(diào)制法,1)正弦波 與三角波 相交，得到一組幅值 、寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。 2)矩形脈沖作為逆變器各開關(guān)元件的控制信號(hào)。這一組矩形脈沖可用正弦波（虛線）等效。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3)輸出電壓的大小和頻率由 （正弦參考電壓）控制。改變 幅值，就改變脈寬，從而改變輸出電壓大??；改變 頻率，就改變輸出電壓頻率。 4)正弦波最大幅

27、值必須小于三角波幅值。 基本恒定。 5)三角波和正弦波的頻率成正比例地改變，稱為同步式調(diào)制。,注：圖12.20所示的是單相脈寬調(diào)制波。 對(duì)于三相逆變器，載頻三角波可共用，必須有一個(gè)三相可變頻變幅的正弦波發(fā)生器，兩者相比較，產(chǎn)生三相脈沖調(diào)制波。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,3.準(zhǔn)正弦波脈寬調(diào)制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)（SPWM）,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）, 輸入脈沖列 載波信號(hào) 階梯波 脈寬調(diào)制波形 監(jiān)相波形 最后調(diào)制波形 逆變器輸出波形,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,4.適用場(chǎng)合（特點(diǎn)） 1)實(shí)現(xiàn)平滑啟

28、動(dòng)、停車； 2)高效率、寬范圍調(diào)速； 3)作為異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的供電電源。,注：采用高速開關(guān)元件，逆變器輸出脈沖增多， 在輸出低頻時(shí)，輸出波形較好。,9.4.3 脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)（PWM）,1.用途 l交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速； l變頻交流電源。,注：?jiǎn)蜗嘟涣麟?三相（或兩相）交流電； 高頻電源 低頻電源。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,2. 單相單相（直接變頻電路）的交交變頻原理,9.4.4 交交變頻調(diào)速,1)共陰極法主電路（VS1、VS3），則得到上正下負(fù)的輸出電壓。 2)共陽極法主電路（VS2、VS4），則得到上負(fù)下正的輸出電壓。 3)兩組反并聯(lián)的可控整流電路，則得到如圖12.24所示的交變電

29、壓，其值由SCR控制角來控制。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,3.輸出電壓波形方波型、正弦波型 1)三相方波型交交變頻器（主電路）,9.4.4 交交變頻調(diào)速,l每相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電 路組成。 （、為正組） （、為反組） l各組導(dǎo)通角為T/3（T為周期），每組依次相隔T/6導(dǎo)通。 l同一時(shí)刻有一個(gè)正組和一個(gè)反組同時(shí)導(dǎo)通。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,2)正弦型交交變頻器用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 l 由兩組反并聯(lián)的可控整流器組成。 l不斷調(diào)制 角，使輸出平均電壓為正弦波（與直流可逆系統(tǒng)不同之處）。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,4.與交直交變頻調(diào)速相比 1)優(yōu)點(diǎn)： l 節(jié)省中間換流環(huán)節(jié)，效率高； l低

30、頻波形較好，諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小。 2)缺點(diǎn)： l主回路元件較多； l最高頻率受電網(wǎng)頻率限制。 3)適用場(chǎng)合低速、大容量的場(chǎng)合。如球磨機(jī)、礦井提升機(jī)等。,9.4.4 交交變頻調(diào)速,9.4.5 變頻器 控制實(shí)例,轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定。,采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖,交流異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。,各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)： 如: 伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象；測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速

31、轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。,控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。,控制電機(jī)的種類很多，常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。,對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、 重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。,第十章 伺服電動(dòng)機(jī),第十章 伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：,伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。,伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控 制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。,交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差

32、90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。,勵(lì)磁繞組,控制繞組,杯形轉(zhuǎn)子,內(nèi)定子,交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖:,(a）接線圖,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),控制電壓 與電源電壓 頻率相同，相位相同或反相。,交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。,勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，

33、由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。,加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線 n=f(T), U1=常數(shù),交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。,但如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似，電動(dòng)機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，即使控制等于零，電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。,如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？,10.

34、1 交流伺服電動(dòng)機(jī),正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩特性,當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0S11時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm1,當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0S11時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的 下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。,交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等

35、系統(tǒng)中。,應(yīng)用:,10.1 交流伺服電動(dòng)機(jī),直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相 同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。,直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī) 相同。,供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。,U1為勵(lì)磁電壓， U2為電樞電壓,直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖,10.2 直流伺服電動(dòng)機(jī),由機(jī)械特性可知： (1) 一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2 n。 (2) U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。,直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示,機(jī)械特性曲線如圖所示。,直流伺服電動(dòng)機(jī)的 n=f(T)曲線(U1=

36、常數(shù)),10.2 直流伺服電動(dòng)機(jī),直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。 直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。,應(yīng)用：,10.2 直流伺服電動(dòng)機(jī),10.3 PWM控制,PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）,10.3 PWM控制,用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波 正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等 用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等 寬度按正弦規(guī)律變化,圖6-3 用PW

37、M波代替正弦半波,SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可,10.3.1 PWM控制的基本原理,10.3 PWM控制,圖:PWM控制電路原理,10.3.1 脈寬調(diào)制控制電路的工作原理,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器,圖:鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(二) 三角波脈寬調(diào)制器,圖： 三角波脈寬調(diào)制器電路,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器,數(shù)字式脈寬調(diào)制器可隨控制信號(hào)的變化而改變脈沖序列的占空比/T。在數(shù)字式脈

38、寬調(diào)制器中，控制信號(hào)是數(shù)字，其值確定脈沖的寬度。當(dāng)維持調(diào)制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，就能達(dá)到改變占空比/T的目的。,10.3 PWM控制,用軟件方式來實(shí)現(xiàn)，即通過執(zhí)行軟件延時(shí)循環(huán)程序交替改變端口某個(gè)二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間得到不同的占空比。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、靈活、省硬件 缺點(diǎn)：需要占用CPU許多處理時(shí)間，對(duì)微處理機(jī)的速度要求很高，于控制不利； 用硬件電路自動(dòng)產(chǎn)生PWM信號(hào)，不占用CPU處理的時(shí)間。,用微處理機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈寬調(diào)制極其容易，通常的方法有兩種：,圖： 計(jì)數(shù)比較式PWM電路,10.3 PWM控制,圖：電路變速直流風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THMC40/4

39、1,10.3 PWM控制,THMC40/41是一種二相直流風(fēng)扇無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；可用于需要PRM速率控制的12V散熱風(fēng)扇的控制。 可對(duì)直流風(fēng)扇進(jìn)行速率控制而無需外部功率驅(qū)動(dòng) 通過VPWM電壓改變運(yùn)行周期，可在11%100%范圍內(nèi)以PWM控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速率。 功耗低，睡眠模式下的典型電流值僅為300A。 具有速率信號(hào)或鎖定轉(zhuǎn)子檢測(cè)信號(hào)輸出。 具有熱關(guān)斷保護(hù)功能，當(dāng)芯片結(jié)溫超過165時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。,圖：電路變速直流風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THMC40/41,10.3 PWM控制,第十一章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),特點(diǎn): (1) 來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3) 改變脈沖順序，

40、可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。,步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频碾姎鈭?zhí)行元件，電機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度（即步距角），低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。,由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機(jī)床、鐘表工業(yè)及自動(dòng)記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用,下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。,定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。,10.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,1,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用定子繞組通電勵(lì)磁， 產(chǎn)生反應(yīng)磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。,如圖示，定子有三對(duì)磁極 A-A，B

41、-B，C-C，若轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為：,定子每相磁極有5個(gè)齒，其齒距寬度 與轉(zhuǎn)子一樣，則相鄰兩個(gè)齒的夾角必 定是9。,10.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。,10.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,當(dāng)A相磁極與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，即定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)率最大，磁阻最小，就會(huì)產(chǎn)生右圖所示的B、C相磁極錯(cuò)齒情況：,在B相磁極中心線上應(yīng)是m號(hào)齒：,顯然，B相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第13個(gè)齒再過3的地方，即B相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差3,同理，C相磁極中心線上應(yīng)是n號(hào)齒：,即C相磁極中心線是轉(zhuǎn)子的第26個(gè)齒再過

42、6的地方，換而言之，C相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒相差6,依次按A-B-C-，A-B-C通電流，轉(zhuǎn)子就跟隨磁場(chǎng)一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，若需反向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B。,2,10.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,1.三相單三拍,A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場(chǎng)，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對(duì)齊。,“三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30角，2、4 齒和B、B

43、磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對(duì)齊。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)了360而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(一個(gè)齒距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,A相通電，轉(zhuǎn)子1、 3齒與A、A 對(duì)齊。,A、B相同時(shí)通電， A、A

44、 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、 4齒與B、B 對(duì)齊,又轉(zhuǎn) 過15。,B、C相同時(shí)通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 15。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周 期如下：AAB B BC C CA，每個(gè)循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角）， 一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,3. 三相雙三拍,按AB BC CA的順序

45、給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,3,三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三種運(yùn)行方式：,單三拍時(shí)： ABC,ABC,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,4,雙三拍時(shí)：,單雙拍（即六拍）時(shí)：,ABBCCA, ABBCCA,AABBBC CCA,-A ABBBC CCA ,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：,實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3和1.5 。,10.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作模式,按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為三種：,反應(yīng)式(VR，Variable Reluctance）,永磁式(PM，Permanent Magnet),混合式(HB,Hybrid),按勵(lì)磁相數(shù)分：有三相、四相、五相等步進(jìn)電機(jī),按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：有旋