電機與拖動課件ppt--第5章 特種電機

1、 5 . 1 伺服電機 5 . 2 測速發(fā)電機 5 . 3 步進電機 5 . 4 直線電動機與磁懸浮裝置 電樞控制方式的直流伺服電機如上左圖,勵磁繞組接 在電壓恒定的勵磁電源上,電樞繞組接控制電壓 ,用以控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。 式中令 為常數(shù), T為變量, 表示機械特性,是向下傾斜的直線,如圖a;令T為常數(shù), 為變量, 是調(diào)節(jié)特性,如圖b,是向上的直線,表明調(diào)節(jié)特性的線性度好。cUTnCCRTCUTeec02)/()/(ncU)(TfncU)(cUfn(a)(b) 交流伺服電機是兩相異步電動機。定子上嵌放著在空間相距90 的兩相繞組f和c, 勵磁繞組f接恒定電壓 ; 控制繞組c接輸入控制電壓

2、, 如上左圖。機械特性如第二幅圖,轉(zhuǎn)子電阻較小時機械特性如曲線1;轉(zhuǎn)子電阻大, 時機械特性如曲線2。運行的交流伺服電機,當 為零時就成為單相異步電動機,轉(zhuǎn)子電阻較小時機械特性如圖a,有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象; 時機械特性如圖b,不會自轉(zhuǎn)。fUcU1mscU1ms(a)(b) 對交流伺服電機轉(zhuǎn)速控制的方法有三種:幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。保持控制電壓和勵磁電壓之間的相位差為90 ,僅僅改變控制電壓的幅值來改變轉(zhuǎn)速的控制方式稱為幅值控制,如上左圖;保持控制電壓的幅值不變,通過改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來改變轉(zhuǎn)速的控制方式,稱為相位控制,如上中圖;勵磁繞組串電容器接電源,控制繞組通過電位器接同一電源

3、,調(diào)節(jié)電位器來控制轉(zhuǎn)速的方式,稱為幅值-相位控制,如上右圖。 三種控制方式的機械特性和調(diào)節(jié)特性基本上相似。為便于比較,參數(shù)都采用標么值。 幅值控制的機械特性,即a一定時 ,如右上圖,機械特性隨a的減少向小轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速方向移動。 幅值控制的調(diào)節(jié)特性,即T*一定時 曲線,如右下圖,調(diào)節(jié)特性是非線性的,只有在相對轉(zhuǎn)速n*和信號系數(shù)a都較小時,調(diào)節(jié)特性才近似為直線。 )( nfT)(afn 測速發(fā)電機能把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號,直流測速發(fā)電機就是微型直流發(fā)電機,原理圖如右上圖。 當電樞回路電阻為 ,發(fā)電機接負載電阻 時,輸出電壓為 也就是 式中 為常數(shù),輸出特性為直線,如右下圖直線2所示,直線

4、1為空載時的輸出特性 ,電樞反應的去磁作用使輸出特性微微向下彎曲,如曲線3。LRaRLaaaaaRUREIREU/nRRnCRREULaeLaa)/1/()/1/()/1/(LaeRRC 右上圖空心杯轉(zhuǎn)子測速發(fā)電機結構示意圖中:1 .端蓋 2 .定子繞組 3 .杯形轉(zhuǎn)子 4 .外定子5 .內(nèi)定子 6 .機殼 7 .軸。當轉(zhuǎn)子不動、外定子勵磁繞組接電源時會產(chǎn)生d軸方向的磁通 ,與q軸方向的內(nèi)定子輸出繞組不交鏈,輸出電壓 為零。當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時, 切割 而產(chǎn)生切割電動勢 ,其方向如右下圖所示, 在短路的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流 與 同方向, 產(chǎn)生的磁動勢 作用在q軸上,交鏈著q軸上的輸出繞組,在輸出繞

5、組中產(chǎn)生感應電動勢 ,空載時輸出電壓 d2UdrEnEdrrErIrErIrqF2E nEIFEUdrrrq22 交流異步測速發(fā)電機的輸出特性是指輸出電壓 隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的變化規(guī)律,即 。 當忽略勵磁繞組的漏阻抗時,只要電源電壓 恒定, 則 為常數(shù), 輸出繞組的感應電動勢 及空載輸出電壓 都與n成正比,理想空載輸出特性為直線,如圖中的直線1所示。測速發(fā)電機實際運行時,由于電樞 所應的去磁作用,使輸出電壓降低, 輸出特性如曲線2;當輸出繞組接 上負載阻抗時, 會產(chǎn)生漏阻抗壓降, 使輸出電壓進一步降低,輸出特 性如曲線3。2U)(2nfU 1Ud2E2U 同步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為永磁式, 定子上嵌放著

6、單相輸出繞組。當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時,輸出繞組產(chǎn)生單相的交變電動勢,其有效值為 式中 為常數(shù),輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。 交變電動勢的頻率 也與轉(zhuǎn)速成正比,帶負載時,使負載的阻抗會隨頻率而變,也就會隨轉(zhuǎn)速而變,不會是一個定值 。實際使用中,可用整流器將同步測速發(fā)電機輸出的交流電壓整流為直流電壓輸出, 會使輸出特性有較好的線性度。 cnpnNkfNkENN60/44. 444. 460/44. 4pNkcN60/pnf 上圖是三相反應式步進電機的結構圖,其定子和轉(zhuǎn)子均做成凸極結構,定子磁極上套有控制繞組;轉(zhuǎn)子上沒有繞組,只有4個齒。當只有U相繞組通電時, 反應轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子齒1和3分別與定子磁極U和U對齊

7、,如圖a,這時V相繞組軸線領先轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線1 /3齒距。當只有V相繞組通電時, 反應轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1 /3齒距,如圖b。當只有W相繞組通電時,轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過1 /3齒距,如圖C。每輸入一個脈沖,電動機就轉(zhuǎn)過一步。 (a)(b)(c)(d) 通電順序為 的方式稱為三相單三拍運行方式?！叭唷笔侵付ㄗ永@組是三相繞組; 定子繞組每改變一次通電方式稱為“一拍”;每改變?nèi)瓮姺绞酵瓿梢淮瓮娧h(huán),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒,稱為“三拍”; “單”是指每拍只有一相繞組通電。 是三相雙三拍運行方式 。 是單雙六拍運行方式。 當定子相數(shù)為m時,若單拍或雙拍運行,則拍數(shù)N= m;若單雙拍運行,則N=2 m。當轉(zhuǎn)子齒數(shù)為

8、 時, 步距 角為 來 個脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周,所以當控制繞組輸入的脈沖頻率為f時,步進電機的轉(zhuǎn)速為UWVUUVWUVWUVUWUWVWVUVUrZ)/(3600NZrsrNZ)/(60rNZfn 轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的角度稱為失調(diào)角 ,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨失調(diào)角 變化規(guī)律稱為矩角特性, 為零時,定、轉(zhuǎn)子齒對齊,不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩, T為零;當 時,T最大; 在0 至90 范圍內(nèi),T與 的正弦成正比,如上左圖,即 ,當 順時針偏離為正時,T沿逆時針方向為負,T 與 反向。把區(qū)間 稱為靜態(tài)穩(wěn)定區(qū); 稱為動態(tài)穩(wěn)定區(qū),如上右圖。090sinmTT)180,180(00)180,180(00ss 設想將一臺籠型異步電

9、動機沿徑向剖開,如圖a所示,再用一軸向平面沿著半徑方向?qū)⒍ㄗ雍娃D(zhuǎn)子再剖開,然后把定子和轉(zhuǎn)子拉直,便成為一臺直線異步電動機,如圖b所示。將圖b中的轉(zhuǎn)子(滑子)用鋼板代替,定子繞組用磁極來表示,就如圖c所示。將鋼板卷成鋼棒,定子磁極圍繞鋼棒卷成圓筒形,就形成如圖d所示的圓筒形直線異步電動機。 (a)(b)(c)(d) 直線異步電動機在運行時,定、滑子之間有相對的直線運動,這樣定子或滑子二者之一必須延長,才能使直線異步電動機連續(xù)地作直線運動?；友娱L者稱為短定子直線異步電動機,定子延長者稱為短滑子直線異步電動機,分別如上圖中a和b所示。僅在滑子的一邊安裝定子的,稱為單邊型直線異步電動機,如上左圖所示

10、;在滑子的對應兩邊都安裝定子的,稱為雙邊型直線異步電動機,如上右圖所示。 (a)(b)(a)(b) 圖a中,當籠型異步電動機定子三相繞組通入三相交流電流時, 會產(chǎn)生正弦分布的轉(zhuǎn)速為 的旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子電流的作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,帶動轉(zhuǎn)子及負載以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。 圖b的直線異步電動機, 定子三相繞組按直線作有序排列,通入三相交流電流時產(chǎn)生正弦分布的速度為 的直線運動磁場,與其切割轉(zhuǎn)子(滑子)時產(chǎn)生的電流相互作用,產(chǎn)生直線電磁力,推動滑子及負載沿磁場運動方向以速度 作直線運動。 1n1(a)(b) 同步轉(zhuǎn)速為 ,磁場運動的線速度為 表明同步速度與極距成正比,而

11、與極對數(shù)無關。 滑差率s為 則 忽略機械損耗,輸出功率 等于機械功率,也就等于作用力F與速度 的乘積,則推力F為 經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得到推力與滑差率s 之間的關系, 稱為推力-滑差率特性 曲線, 如圖所示,曲線1及2分別為 高速及低速直線異步電動機的推 力-滑差率特性曲線。 pfn/601160/211np12 f11/ )(s)1 (2)1 (11sfs)1 (2/122sfPPF2p 直線同步電動機的定子繞組是直線放置的三相繞組,轉(zhuǎn)子裝有勵磁繞組。 當定子三相繞組接三相交流電源和轉(zhuǎn)子勵繞組接直流電源時,三相定子繞組電流產(chǎn)生的直線運動磁場與轉(zhuǎn)子勵磁繞組電流產(chǎn)生的直流磁場相互作用,帶動轉(zhuǎn)子及負載作直

12、線運動,其運動速度就等于定子磁場的運動速度,即同步速度 。 如果定子磁場是水平方向的直線運動磁場,則直線同步電動機不僅能產(chǎn)生水平方向的電磁力, 同時還能產(chǎn)生垂直方向的電磁力,企圖克服重力作用,將轉(zhuǎn)子及重物懸浮起來,這就是磁懸浮力。 1 浮法玻璃生產(chǎn)中利用直線異步電動機做成的電磁攪拌機,其工作原理如圖所示。錫槽3中盛放著熔融錫液4 ;在錫液上盛放著玻璃液2 ;直線異步電動機的定子1置于錫液和玻璃液的上 方,錫液就是直線異步電動機 的滑子。當直線異步電動機 的定子繞組接三相交流電源 產(chǎn)生直線運動磁場時,錫液 受到電磁力的作用,會沿著 磁場方向運動,起到了攪拌 錫液的效果。 圖5 . 27 電動機在

13、錫槽工作的示意圖 1 .直線電動機 2 .玻璃液 3 .錫槽 4 .錫液 如果作用在重物上的電磁力,其方向與重物重力方向相反,其大小大到足以克服重物重力作用時,重物將在電磁力的作用下在空中懸浮起來,這種現(xiàn)象稱為磁懸浮。稱電磁力為磁懸浮力。 設想有三根長度為l的平行導體1 、 2 、 3 ,它們兩端也用導體連接起來,形成如圖所示的機械構件。永磁鐵N以速度 在導體2上方掃過時,會在導體中產(chǎn)生電流, 方向如圖所示,磁極N對導體2的作用力 方向向右。導體1和3中的電流方向與導體2的相反, 大小只有導體2的一半,而且所在處的磁 通密度也小于導體2的,所以 , , 合力 ,方向向右, 力圖牽引構件跟隨磁極

14、N運動。BliF 22/21FF2/23FF 312FFFF 導體構件及運動磁極組成一個電阻電感電路,如上左圖a 電路的電壓方程式為 電流為 電流曲線如上左圖b。當t=0磁極N從導體2上掃過產(chǎn)生電動勢E時,電流要延遲才能達到最大值。若磁極以很低的速度運行,在 時的位移量 是很小的,磁極仍在導體2上方,磁極和導體電流產(chǎn)生的磁場如上右圖a;磁極N受力情況如上右圖b。 ERidtdiL)1 (/TteREittts(a)(b)(a)(b) 由低速運動磁極受力圖可知, 和 大小相等,將它們分解出垂直方向和水平方向的分力,垂直方向合力為零,沒有磁浮力。 若磁極N以很高的速度從導體2上掃過,經(jīng)過 后,N極可能移動到導體2和3的正上方,磁極和導體電流產(chǎn)生的磁場如圖a所示,磁極受力情況如圖b所示。由圖中看出 ,水平分力為 ,合力沿垂直方向的分力為 ,是向上的。由此可知:在導體上高速運動的磁極受到垂直向上的 電磁力的作用 ,當其足夠 大時就可將磁極N懸浮起 來成為磁浮力。11F21Ft222111FFF)(2211FF 23F(a)(b) 當直線同步電動機的定子繞組接三相交流電