工业机器人机械装调与机械控制 课件 ch03 电力的输配-变压器-改

第三章工业机器人电力系统工业机器人技术应用系列职业教育“十三五”规划教材工业机器人工业装调与电气控制03电力的输配——变压器PARTTHREE我国大部分工业现场供电为380v交流电，而我们使用的3kg机器人的主供电要求为220v交流电。为适应真正工业现场的供电系统和环境，就需要将电压控制到我们需要的参数。变压器是电力系统中的重要电气设备，它是电力输配系统的核心装置，同时也是电气控制系统中不可缺少的元器件。下面，我们结合3kg可拆装机器人电力系统介绍单相变压器的工作原理和功能。3.1电力的输配——变压器变压器是一种静止的装置，它是依靠磁耦合的作用，将一种等级的电压与电流转换成另一种等级的电压与电流，起着传递电能的作用。下面以单项双绕组变压器为例分析其工作原理。在一个闭合的铁芯上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。两个绕组之间有磁的耦合，而没有电的关系。压器的工作原理

（二）变压器的应用与分类作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用。在国民经济的其他部门，作为特种电源或为满足特殊的需求，变压器也发挥着重要的作用。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万伏安；电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。如果按变压器的用途来分类，其中应用最广泛的变压器为电力变压器、仪用互感变压器和其他特殊用途的变压器；如果按相数可以分为电箱和三相变压器。不管如何分类，其工作原理及性能都是一样的。（三）变压器的额定值（铭牌数据）按照国家标准规定，标志在铭牌上的、代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术参数，称为变压器的额定值（或称为铭牌数据），主要有：（1)额定容量变压器在正常运行时的视在功率，通常以SN来表示，单位为伏安（v•A)或千伏安(KV·A)O对于一般的变压器，原、副边的额定容量都设计成相等。

（一）什么是电力电子技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力"功率可大到数百MW，甚至GW,也可以小到数w，甚至1W以下。和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。（二）电力电子技术的应用通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流的。从蓄电池和干电池得到的电力是直流的。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。3.2力的变换——电力电子技术（三）整流电路整流电路(rectifyingcircuit)是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程。整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压己经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。下面，我们对单相可控整流电路的工作原理、相关计算进行介绍。

（四）斩波电路直流斩波电路(CChopper)的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流一直流变换器(DC/DCConverter)。直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流．交流．直流的情况；直流斩波电路的种类很多，降压斩波电路、升压斩波电路是两种最基本电路。1．降珏斩波电路降压斩波电路的原理图及工作波形EVD．

3、整流与斩波的应用在3kg机器人控制柜中，以交流220v(AC220V)的电源作为主电源，为电机和驱动器提供电力，而机器人的控制系统则是以直流24v(DC24V)和直流sv(DC5V)电源作为控制电力。如果采用独立电源为系统各部分单独供电，就需要交流电源、24V蓄电池、5V蓄电池。交流220v电源相对普遍，而DC24V和DC5V电就需要蓄电池供电，不仅占用控制柜空间，还需解决充电和衰减的问题，显然是不合理的。经过上述内容的学习，我们就有了新的思路来解决这个问题。如图所示为3kg机器人控制柜电力转换关系。首先选用最为普遍的交流220v(AC220V)电源作为整个系统的动力电源，原因很简单，电源获取方便。下面的问题便是如何将交流220v（AC220V）转换为直流24v(Dcmv),为控制系统提供电力，那就要利用“整流"技术，将交流电转换为直流电。在控制系统中，有些特殊的元器件需要直流5V(DC5V)作为动力和控制信号。那么，我们将经过整流电路得到的直流24v(DC24V)电源经过“降压斩波"便能得到直流sv(DC5V)电源。在实际应用中，我们不需要自己设计整流电路和斩波电路，一般采用集成应用的方式，选择技术成熟、运行稳定的开关电源。按照输入、输出端口的定义，正确选型和接线，便能将单一电源进行转换，得到我们所需要的电源了。下面就对两款开关电源进行介绍。（1）交直流转换(AC-DC)开关电源品牌：明纬。型号：MDR一100．24参数：见表这是一个宽伏交流转直流24v(DC24V)的开关电源。输入电压为ACIOOV、AC240V，输出为直流24v(DC24V),功率为100w。以交流220V(AC220V)为例，当输入端接通电源后，开关电源工作，此时输出端的电压为直流24v(DC24V),可为需要直流24v(DC24V)的电器进行供电。注意：不要将输入电压（交流电源端）接在开关电源输出端（直流输出端）。（2）直流降压(DC-DC)开关电源品牌：HU%HONGPOWERTECI-BIOLOGY型号：HZD50H．24S05。参数：见表这是一个直流降压(DC-DC)开关电源，输入电压为DC18V—DC36V,输出为直流sv(DC5V),最大输出电流为10．OA。以直流24v(DC24V)为例，当输入端接通电源后，开关电源工作，此时输出端的电压为直流5V(DC5V),可为需要直流5V(DC5V)的电器供电。注意：电正负极，更不要将输入电压（高电压端）接在输出端。在电能的产生、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量（或信号）传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。（一）电动机通常所说的电机，是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的，用于实现能量（或信号）传递与变换的电磁机械的统称。比如把机械能转化为电能的发电机、把电能转化为机械能的电动机、将电能进行转变的变压器以及应用于各类自动控制系统中的控制元件称为控制电机等。对于3kg机器人来说，很显然，需要将电能转化为机械能，拖动机器人各关节运行，完成各种动作和任务。根据上文的介绍，我们知道将电能转换为机械能的电机有电动机和控制电机。电动机(Motor)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机。电力的转化——电机电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。普通动力电动机的主要任务是实现能量转化，主要要求是提高电动机的能量转换效率，以及启动、调速等性能。可是对于机器人来说，普通电动机的精度低，无法达到机器人的要求，所以一般不使用电动机作为各轴的动力部件。（二）控制电机控制电机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等原件使用。控制电机的功率一般从数亳瓦到数百瓦。与普通动力电动机不同，控制电机主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性，而这些性能正是机器人所需要的。伺服电动机是机器人最主要的电机。伺服电动机又称执行电动机，它把接收的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移，具有服从控制信号的要求而动作的功能。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子立即停止。该种电动机正是由于这种“伺服"的性能而在3kg机器人中，使用交流伺服电动机带动关节运动。下面就介绍交流伺服电动机。交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。它的转子电阻都比较大，其目的是使转子制动时产生制动转矩，使它的控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着空间相距90。电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个