机电一体化技术 -课件 项目五

机电一体化技术主编

张奇良

鲁佳

王红锦PARTONE项目五常用电动机工作原理目录/CONTENTS任务一三相异步电动机任务二步进电动机任务三伺服电动机行业PPT模板/hangye/PARTONE任务一三相异步电动机

异步电动机是将交流电能与机械能相互转换的电能转换器,主要用作电动机。它结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠,成本低,效率较高,因此,在工农业生产中得到广泛应用。

其缺点有两方面:

一是运行时需从电网中吸取感性无功电流来建立磁场,降低了电网功率因数,增加线路损耗;

二是启动和调速性能较差。一、三相异步电动机的基本工作原理

三相异步电动机的定子铁芯上嵌有三相对称绕组,在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条,导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体,其工作原理如图5-1所示。二、三相异步电动机的启动与制动

根据转子绕组的不同形式,将三相异步电动机分为三相鼠笼型异步电动机和三相绕线型异步电动机。1.三相鼠笼型异步电动机的启动

(1)直接启动。直接启动也叫全压启动,即用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上,方法最为简单。

一般规定,异步电动机的额定功率小于7.5kW时允许直接启动。如果功率大于7.5kW,而电源总容量较大,则只要符合下式要求,电动机也允许直接启动。

(2)降压启动。降压启动通过降低直接加在电动机定子绕组上的端电压来减小启动电流。

①定子串电阻或电抗降压启动。定子串电阻或电抗降压启动如图5-2所示,它利用电阻或电抗的分压作用降低加到电动机定子绕组上的电压,其接线图如图5-2(a)所示。

定子串电阻或电抗降压启动的等效电路如图5-2(b)所示。

②星形—三角形(Y/△)降压启动

对于正常运行时定子绕组为△形连接的电动机,启动时定子绕组改接成Y形连接,这时加在每相定子绕组上的电压为直接启动时的1/3,可以实现降压启动,其接线图如图5-3所示。三相鼠笼型异步电动机分别采用Y形连接启动和△形连接启动,其原理图如图5-4所示,由该原理图可知Y形连接降压启动的启动转矩T′st与直接启动的启动转矩Tst之比为

Y/△降压启动的优点是设备简单、成本低、运行可靠、体积小、重量轻,所以Y系列容量等级在4kW以上的小型三相鼠笼型异步电动机都设计成△形连接,以便采用Y/△启动。其缺点是只适用于正常运行时定子绕组为△形连接的电动机,并且只有一种固定的降压比,只适合轻载启动。③自耦变压器降压启动。自耦变压器降压启动如图5-5所示,它利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压,其接线图如图5-5(a)所示。自耦变压器降压启动的等效电路如图5-5(b)所示,设串自耦变压器后加在电动机定子绕组上的相电压

电动机的启动电流即自耦变压器的二次侧电流为

电网供给电动机的启动电流即自耦变压器的一次侧电流为则以上两式相乘得降压启动的启动转矩T′st与直接启动的启动转矩Tst之比为2.三相绕线型异步电动机的启动

三相绕线型异步电动机的转子三相绕组一般都接成Y形,3根引出线通过3个集电环和电刷引到定子出线盒上,通常可在外部串入短接的三相对称电阻或频敏变阻器来改善启动性能。

因此,对于大、中型异步电动机需要重载启动时,可优先选用三相绕线型异步电动机。

(1)转子串电阻启动。当三相绕线型异步电动机转子串入合适的三相对称启动电阻Rst时,就能使启动电流减小到规定的范围内,而且在一定范围内,启动转矩Tst随Rst的增大而增大,当Rst增大到使临界转差率Sm=1时,Tst<Tmax。

三相绕线型异步电动机转子串电阻三级启动原理图如图5-6所示。

(2)转子串频敏变阻器启动。转子串电阻启动比较复杂,不但要逐段切除电阻,而且在每切除一段电阻的瞬间,启动电流和启动转矩会突然增大,造成电气和机械冲击。为了克服这个缺点,可采用转子串频敏变阻器启动。

转子串频敏变阻器启动不但具有减小启动电流、增大启动转矩的优点,而且还具有等效启动电阻随转速升高自动且连续减小的优点,所以其启动的平滑性优于转子串电阻启动。此外,频敏变阻器还具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便等优点,常用于要求启动转矩较大的生产机械中,如卷扬机、起重机等。3.三相异步电动机的制动

与直流电动机相同,三相异步电动机既可工作于电动状态,也可工作于制动状态。制动的目的是使电动机在运行过程中能够快速停转、反向或将转速限制在某一范围内。

(1)机械制动。机械制动利用机械装置使电动机在切断电源后迅速停转。使用比较普遍的机械制动设备是电磁抱闸。电磁抱闸主要由制动电磁铁和闸瓦制动器两部分组成。

电磁抱闸制动的控制线路如图5-7所示。

(2)电气制动。

①能耗制动。为使电动机在运行过程中迅速停转,将异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后立即接到直流电源上,以此来实现制动。

能耗制动原理图如图5-8所示,在制动转矩的作用下,转子转速迅速下降,当n=0时,制动过程结束。这种方法将转子的动能变为电能,消耗在转子回路的电阻上,所以称为能耗制动。

②反接制动。反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种。

电磁转矩与转子的转向相反,电动机进行制动,此种方法称为电源反接制动。电源反接制动方法制动迅速,用在经常正反转的生产机械上。它的原理图和接线图如图5-9所示。

另外一种是倒拉反接制动,常用于起重机缓慢提升和下放重物的过程中。由于要求在运行过程中的转子回路上串入很大的电阻,所以用于绕线型异步电动机中。

③回馈制动。当起重机快速下放重物时,重物拖动转子,电动机转速超过旋转磁场转速,即电动机变成发电机,将机械能转变成电能回馈给电网,故称回馈制动。

反向电动状态的机械特性位于第三象限,回馈制动的机械特性延伸到第四象限,如图5-10所示。当电磁转矩等于位能性负载转矩时,电动机便以较高的速度下放重物。

改变电动机的极对数p,以改变同步转速n1,这种调速的方法称为变极调速。

改变电动机转差率s进行调速,通过在转子电路中接入调速的变阻器或在转子电路中引入附加电势等,这种方法只适合于绕线型异步电动机的调速。

改变电动机的电源频率f1,以改变同步转速n1,这种调速的方法称为变频调速。三、三相异步电动机的调速

在现代工业中,大量的生产机械要求能改变工作速度,以满足不同的生产需求。

三相异步电动机的转速为

从上式可以看出,要改变三相异步电动机的转速,应从以下3方面入手。(1)定子方面(2)电源方面(3)转子方面1.变极调速

在电源频率不变的条件下,改变电动机的极对数,电动机的同步转速n1就会发生变化,极对数减少一半,同步转速就提高一倍,电动机转速也几乎升高一倍,所以是一种变极调速。

变极调速的原理图如图5-11所示。一相绕组可看成由两个半相绕组a1x1和a2x2组成,两个半相绕组顺向串联,对应2p=4,如图5-11(a)所示;如果将其中一个半相绕组(如a2x2)中的电流方向反向,则可得2p=2,如图5-11(b)所示。绕组间的连接,如图5-12所示,其中图5-11(a)是顺向串联,2p=4;图5-11(b)是串联反接,2p=2;图5-11(c)是并联反接,2p=2。

多极电动机定子绕组的连接方式很多,其中常用的有两种:一种是从星形改成双星形,即Y/YY;另一种是从三角形改成双星形,即D/YY,其接线图分别如图5-13和图5-14所示。为了使电动机转向不变,在绕组改变时,应把绕组的相序改接。2.变频调速

由公式

可知,转速n1与频率f1成正比,只要改变频率f1即可改变电动机的转速,当频率在0~50Hz变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

变频调速采用专用变频调速装置———变频器,如图5-15所示,可以实现无极平滑调速。3.变转差率调速

该方法适用于绕线型异步电动机,通常在绕线型异步电动机的转子回路中接入调速电阻(和启动电阻一样接入)。假设R2为绕组电阻,R′2为接入电阻的阻值,增大调速电阻,可以证明Tm不变。

接入电阻的大小与转差率的关系可由下式确定

式中SN———额定转差率;

S———接入电阻后的转差率。

这种调速方法的特点是,改变调速电阻大小可实现平滑调速,设备简单、投

资少,但能量损耗大,主要应用于起重设备中。PARTTWO任务二步进电动机一、步进电动机的应用与工作原理

由于步进电动机是根据组合电磁铁的理论设计的,它力求定子各相绕组间没有互感,定转子都采用凸极结构,不考虑空间磁场谐波的有害影响,尽一切可能去增加定位转矩的幅值和定位精度,把转速控制和调节放在次要地位,故主要用于计算机的磁盘驱动器、绘图仪、自动记录仪及调速性能和定位要求不是非常精确的简易数控机床等的位置控制。1.步进电动机的应用2.步进电动机的工作原理如图5-16所示是一个三相反应式步进电动机的工作原理图,其定子铁芯、转子铁芯均由硅钢片叠成。定子上有6个磁极,每两个相对的磁极绕有一相控制绕组,所以定子共有三相绕组。转子是4个均匀分布的齿,齿宽等于定子极靴的宽度,转子上没有绕组。

拍数不同使这种通电方式的步距角也与单三拍的不同。三相单、双六拍时电动机的运行情况如图5-17所示。当U相定子绕组通电时,和单三拍运行的情况相同,转子齿1和3的轴线与U和U′轴线对齐,如图5-17(a)所示。

当U、V相定子绕组同时通电时,转子齿2和4又将在定子极V、V′的吸引下,使转子沿逆时针方向转动,直至转子1和3齿与定子极U、U′之间的作用力被转子齿2和4与定子极V、V′之间的作用力所平衡,如图5-17(b)所示。当断开U相定子绕组而由V相定子绕组单独通电时,转子将继续沿逆时针方向转过一个角度,使转子齿2和4的轴线与V、V′的轴线对齐,如图5-17(c)所示。

由于这种步进电动机的步距角较大,如果用于精度要求很高的数控机床等控制系统,则会严重影响到加工工件的精度,所以这种结构只在分析原理时采用,实际使用的步进电动机都是小步距角。如图5-18所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。

由于每一极距所占的齿数不是整数,因此,当U相定子绕组通电时,电动机产生沿U极轴线方向的磁场,因磁通要按磁阻最小的路径闭合,就使转子受到反应转矩的作用而转动,直到U—U′极下的定、转子齿对齐时,定子V—V′极的齿和转子齿必然错开1/3,即错开3°,小步距角的三相反应式步进电动机展开图如图5-19所示。

由图5-19可见,如果断开U相定子绕组而接通V相定子绕组,则这时电动机中产生沿V极轴线方向的磁场,在反应转矩的作用下,转子按逆时针方向转动,使定子V—V′极下的齿和转子齿对齐。二、步进电动机的主要参数三、步进电动机的驱动电源

步进电动机由专用的驱动电源来供电,驱动电源和步进电动机组成一套伺服装置来驱动负载工作。步进电动机的驱动电源如图5-20所示,主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器3部分。PARTTHREE任务三伺服电动机一、直流伺服电动机1.直流伺服电动机结构

直流伺服电动机是微型的他励直流电动机,其结构与原理都与他励直流电动机相同。直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种:

一种是永磁式直流伺服电动机,它的磁极是永久磁铁;

另一种是电磁式直流伺服电动机,它的磁极是电磁铁,磁极外套着励磁绕组。2.控制方式一般用电压信号控制直流伺服电动机的转向与转速大小。3.运行特性采用电枢控制时,电枢绕组也就是控制绕组,控制电压为Uk=Ua。

直流伺服电动机的特性如图5-21所示。当Ua大小不同时,直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线,如图5-21(a)所示;当Ua大小一定时,转矩T大时转速n低,转矩的增加与转速的下降成正比,这是十分理想的特性。

另一个重要的特性是调节特性。调节特性是指在一定的转矩下,转速n与控制电压Ua的关系,即n=f(Uk)。调节特性可以由机械特性得到。直流伺服电动机的调节特性是一组平行直线,如图5-21(b)所示。二、交流伺服电动机1.基本结构

交流伺服电动机实质上是一个两相感应电动机,它的定子上有着在空间上互差90°电角度的两相分布绕组,一相为励磁绕组Nf,一相为控制绕组Nk。电动机在工作时,励磁绕组Nf接单相交流电压Uf,控制绕组接控制信号电压Uk。Uf与Uk二者同频率,一般采用50Hz或400Hz的电源供电。

转子的结构通常有两种形式:一种为笼形转子,另一种为非磁性空心杯转子。

非磁性空心杯转子伺服电动机如图5-22所示。2.工作原理

交流伺服电动机是两相感应电动机,从控制特性上要求必须同直流伺服