步进电机及其工作原理 电机的工作原理及特性_物理_自然科学_专业资料。步进电机及其工作原理 制作：张津 步进电机外形结构 常见步进电机外形构造 制作：张津 步进电机内部结构 制作：张津 步进电机内部结构 步进电机的内部构造 制作：张津 步进电机分

　　步进电机及其工作原理 制作：张津 步进电机外形结构 常见步进电机外形构造 制作：张津 步进电机内部结构 制作：张津 步进电机内部结构 步进电机的内部构造 制作：张津 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) 制作：张津 1－ 线－转子 三段式（三定子）轴向分相步进电机 制作：张津 单段反应式步进电机 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 内部结构 A C B B C A 反应式步进电机的内部结构横剖面示意图 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 磁场形成 A C N B C B S A A相定子绕组通电形成磁场 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 节拍运动动画 A A 1 1 4 2 2 3 A A 步进电机节拍运动动画 制作：张津 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。 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 定子的通电方式 ?单相轮流通电（M相单M拍） 顺时针轮回 A→B→C→A 逆时针轮回 A→C→B→A ?双相轮流通电（M相双M拍） 顺时针轮回 AB→BC→CA→AB 逆时针轮回 BA→AC→CB→BA ?单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角： θb = 60° A A 1 B 1 2 2 B A A C B 1 2 1 2 C A 60° C 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序: A→C→B→A 转子旋转方向： 逆时针 1 2 A C C 步距角： θb = 60° C B 1 2 60° B 1 2 A 1 2 A A B 60° A 制作：张津 60° 1 2 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序： AB→BC→CA→AB A 1B 转子旋转方向： 顺时针 步距角： θb = 60° 2 B A A B A C B B C A C B 1 2 1 2 B C A 60° C A 制作：张津 60° 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序： BA→AC→CB→BA C 转子旋转方向： 逆时针 步距角： θb = 60° C 60° A 1 B 2C A A B A 1B 2 B A A C B 60° 1 2 1 2 60° B C B A 制作：张津 30° 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角：θb = 30° 30° A A A 1 1B B 1 2 2 A A C B 2 B A C B B A C B 1 2 1 2 1 2 30° 30° C A C B C 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿 定子通电顺序： A→AC→C→CB→B→BA→A 转子旋转方向：逆时针 步距角： θb = 30° 30° A A A C C 1 B 1 1 2 C A C B 2C A C B 2 A A C B 1 2 2 1 1 2 B C 30° B 30° B A 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿 定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 逆时针 步距角： θb = 30° A 1 B 2 4 B 3 30° C B A 1 4 2 3 A 30° A 2 3 1 1 4 2 3 4 C C A 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿 定子通电顺序: A→C→B→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角： θb = 30° A 1 4 2 3 A A A C 30° 4 1 2 3 C 30° C B 4 1 2 4 3 1 3 2 B A B 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿 定子通电顺序： A AB→BC→CA→AB 转子旋转方向： 1 B 2 4 逆时针 B 3 步距角： A θb = 30° 30° A B A C B 41 32 B C A C B 1 4 2 3 1 2 4 3 B C A C A 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 ——四转子齿 A 定子通电顺序： 1 B BA→AC→CB→BA 2 转子旋转方向： 4 B 3 顺时针 A 步距角： A θb = 30° C B A 30° C 1B 4 2 3 C A A C B 12 43 1 2 4 3 B A B C 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿 定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A 转子旋转方向：逆时针 A 步距角： θb = 15° A 15° A 1 4 2 3 1 B 2 4 B 3 1 B 2 4 B 3 A A C B A 15° C B 15° A C B 12 15° 1 4 2 3 1 4 2 3 C A 43 C B C 制作：张津 单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿 定子通电顺序： A→AC→C→CB→B→BA→A 转子旋转方向： 顺时针 A 15° 步距角： θb = 15° 15° A A C 1 4 2 3 C C 1B 4 2 3 C 1 4 2 3 A A A C B 15° A 15° C B C B 1 2 4 3 1 2 4 3 12 43 B C B B A 制作：张津 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。 A ? 转子齿数越多，步距角 θb 越小 1 ? 定子相数越多，步距角 θb 越小 ? 通电方式的节拍越多，步距角 θb 越小 θb = 360° m* Z*C 式中：m －定子相数 2 A A 1 4 2 Z － 转子齿数 3 C －通电方式 A 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 制作：张津 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： θb = 360° ? 360° ? 3° (1.5° ) m* Z * C 3* 40* 1(2) 五相步进电机： θb = 360° ? 360° ? 1.5° (0.75° ) m * Z * C 5 * 48* 1(2) 制作：张津 转子转动的原因分析 A 1 2 A A 1 4 2 3 A 制作：张津 转子转动的原因分析 A C B B C A 制作：张津 步进电机的实际结构 C B B C A 制作：张津 步进电机的实际结构 A相各齿对齐时,B相转子齿错位3° A C B 50° 47° B C A 制作：张津 步进电机展开结构 制作：张津 实际步进电机转动的模拟 制作：张津 结论 ? 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 Φ = N ? θb ? 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 n= 60 ? f ?θb 360° = 60 ? f ? 360° mZC 360° ? 60f mZC ? 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 制作：张津 步进电机的驱动控制 制作：张津 进给 脉冲 脉冲 混合 电路 步进电机的驱动控制 加减 脉冲 分配 电路 加减 速 电路 环形 分配 器 功率 至步进 放大 器 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 制作：张津 步进电机的驱动控制 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。 制作：张津 环行分配器 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。 制作：张津 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Δx或Δy。 △A △B △C QA R CP QA S DA QB R CP QB S DB QC R CP QC S DC △X 复位 制作：张津 环行分配器的工作原理 三相单三拍工作方式：A→B→C→A 当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电， 当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电， 当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。 输出波形如下 1 23456789 △ △A △B △C 制作：张津 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ΔA、ΔB、ΔC，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Δx的序列脉冲进行再分配。 所以也常直接称其为脉冲分配器。 制作：张津 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. 制作：张津 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 制作：张津 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 制作：张津 2.直流电机的基本工作原理 简化为一对磁极,一个线圈 发电机 电动机 制作：张津 2.直流电机的基本方程式 ? 1)感应电势E E ? K e?n 式中:E-电动势(V); ?- ? ?一对磁极的磁通(Wb); ? 2)电磁转矩T T ? Kt?Ia 式中: ?T-电磁转矩(Nm); ? -一对磁极的磁通(Wb); ?n-电枢转速(r/min); ? Ia-电枢电流(A); ? Ke -与结构有关的常数. ? Kt-与结构有关的常数 制作：张津 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 制作：张津 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 ? U ? E ? Ia Ra ? E ? Ke?n ?式中,Ra为电枢电阻.以 ?代入得: n ? U Ke? ? Re Ke? Ia ? ?由 T ? Kt Ia ?将Ia值再代入,得:: n ? U Ke? ? Ra KeKt? 2 T ? n0 ? ?n 上式为直流电动机机械特性的一般表达式 制作：张津 机n械? 特KUe?性?曲KeR线.固有(自然)机械特性和人工机械特性 ? 1)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. 制作：张津 ? 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?N, 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. ?(1)电枢电阻Ra的估算: Ra ? ? 0 ? 50 ? 0 ? 75? ? ?1 ? ? pN UNI N ? ? ? UN IN ?(2)理想空载转速no计算: Ke?N ? UN ? I N Ra nN n0 ? UN K e? N ?(3)额定转矩Nn的计算: TN ? 9 ? 55 PN nN 制作：张津 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. ? Ra ? ? 0 ? 50 ? 0 ? 75? ? ?1 ? ? pN UNI N ? ? ? UN IN =0.71 Ke?N ? UN ? I N Ra nN =0.132 no ? UN K e? N =1667r/min TN ? 9 ? 55 PN nN =35Nm 制作：张津 4)电动机人工机械特性(三种) n ? U Ke? ? Ra KeKt? 2 T ? n0 ? ?n ? (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: n ? UN Ke? ? Rad ? Ra KeKt? 2 T ? n0 ? ?n 附加电阻Rad越大,机械特性越软. 制作：张津 (2n)改? K变Ue?电?枢Ke电RKat?压2 T的?人n0 工? ?机n 械特性 no ? UN K e? N 随U的变化而变化 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. 制作：张津 (3n)?改KU变e? 磁? K通eRKa的t? 2人T ?工n0机? ?械n 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. 制作：张津 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: ? 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)注意事项: ? 直流串激电动机不允许 空载运行----飞车事故制作.：张津 ?4直直流他流激电他动机激的电起动动电流机的起动特性 是额定电流的(10-20)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. 制作：张津 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. 制作：张津 1.反馈制动 ? 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 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. 制作：张津 2?.反1)实接现制条动件: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; ? n? ?U K e? ? Ra ? Rad KeKt? 2 T 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. 制作：张津 反接制动 ? (2)倒拉反接制动.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. 制作：张津 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. 制作：张津 6.直流他激电动机的调速特性 n ? U ? Ra ? Rad T Ke? Ke Kt? 2 ? 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? . 制作：张津 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. 制作：张津 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. 2)应用;适用于恒转矩负载, 组成SCR-M系统，在工业生 产中广泛应用.1章将重点 学习. 制作：张津 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. 制作：张津 例题 ? 例:一台直流他激电机的额定数据 为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 T ? TN ? 9.55 PN nN ? 9.55 2200 1500 =14 Ke? ? Ke? ? UN ? I N Ra nN ? 220 ? 12 .4 ?1.7 1500 ? 0.13 n ?1962 Kt? ? 9.55Ke? ? 9.55 ? 0.13 ? 1.24 Ke Kt?2 ? 0.13?1.24 ? 0.16 n ? U Ke? ? Ra Ke Kt? 2 TN ? ?? 180 ? 0.13 ? 1.7 0.16 ?14 ?? ? ? 1236 制作：张津 例题求解 (2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧 Ke? ? 0.8Ke? N ? 0.1 Kt? ? 9.55Ke? ? 0.99 Ke Kt? 2 ? 0.099 n ? UN Ke? ? Ra KeKt? 2 TN ? ( 220 0.1 ? 1.7 0.099 ?14 ? 1962 r / min (3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻 R=Ra+Rad=1.7+2=3.7 Ke? ? 0.13 Kt? ? 1.24 KeKt? 2 ? 0.16 n? UN K e? N ? Ra ? Rad Ke Kt? 2 TN ? ?? 220 ? 0.13 ? 3.7 ?14 ?? ? 1368 0.16 ? (以上转速单位为r/min) 制作：张津 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. 制作：张津 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 制作：张津 鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线).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 S ? n0 ? n n0 制作：张津 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. 制作：张津 t=0时，iA=0;iB为负，iC为正 ?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。 制作：张津 t=T/6时，ω t=ω T/6=π /3,iA为正；iB为负；iC=0 ?t=T/6时，ω t=ω T/6=π /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π /3。 制作：张津 ?t=T/3时，ω t=ω T/3=2π /3,iA为正;iB=0；iC为负 ?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2π /3。 制作：张津 t=T/2时，ω t=ω T/2=π ,iA=0；iB为正；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π 。按以上分析可以证明：当三 相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不 断旋转，这样就产生了旋转磁场。 制作：张津 (2)旋转磁场的旋转方向 ? 旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致; ? 改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向; ? 要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线)旋转磁场的旋转速度-----同步转速no 60 f n0 ? p 式中,f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数. 电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min; 电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min; 电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min. 制作：张津 (4)定子绕组线端连接方式 ?注意:三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压220V; 三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线V. 制作：张津 .三相异步电动机的电路分析 1).定子电路分析 电动机定子和转子 每相绕组的匝数分别为 N1和N2.定子每相绕组产 生的感应电动势为: e1 ? ?N d? dt 其有效值为 : E1 ? 4.44 f1N1? 定子和转子电路的感应电势 制作：张津 定子电路分析 考虑定子电流产生的漏磁 通,用复数表示为: ? ? ? ? U1 ? I1 R1 ? j I1 x1 ? (? E1) 忽略R1和X1上的电压降,有: ? ? U1 ? ? E1 其大小为: U1 ? ?E1 一相电路图 制作：张津 2).转子电路分析 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为: e2 ? ?N2 d? dt 起动瞬间 E2 ? 4.44 f2N2? E2o ? 4.44 f1N2? X 20 ? 2?f1LL2 其中 I2 ? E2 ? R22 ? X 2 2 sE2o R22 ? (sX 20 )2 COS?2 ? R2 R22 ? (sX 20 )2 f2 ? sf1 E2 ? sE2o x2 ? sx2o 制作：张津 3.三相异步电动机的额定值 ? 电动机铭牌数据: ? 额定功率PN; ? 额定电压UN; ? 额定频率f=50Hz; ? 额定电流IN; ? 额定转速nN; ? 有的参数要经过计算得出: ? 额定效率 ? 额定负载转矩 ? 额定效率 ?N ? PN 3U N I N cos?N ?额定负载转矩 TN ? 9550 PN nN 制作：张津 4.三相异步电动机的能流图 电源输入的功率P1: P1 ? 3U1I1 cos?1 电动机的输出功率P2(铭 牌功率) P2等于P1减去电动机的总损耗 ? ? P2 ? P1 ? ?P P1 P1 制作：张津 举例 例1:有一台Y型接线的三相异步电动机,其额定参数为:功率90KW,UN=3000V, IN=22.9A,电源频率f=50Hz,额定转差率SN=28.5%,定子每相绕组匝数N1=320, 转子每相绕组匝数N2=20,旋转磁场每极磁通0.023WB,求: 1)定子每相绕组感应电动机E1;2)转子每相开路电压 E20;3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N. 解:1)由电势计算公式得 : E1 ? 4.44 f1N1? ? 4.44 ?50 ?320 ?0.023 ?1634V 2)转子绕组开路时,f2=f1,得 3)额定转速时,转子电动势的频率 E2o ? 4.44 f1N2? ? 4.44 ?50 ? 20 ?0.023 ?102V f2 ? sN f1 ? 0.0285 ? 50 ? 1.43Hz E2o ? 4.44 f1N2? ? 4.44 ? 50 ? 20 ? 0.023 ? 102V 制作：张津 举例 例2:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速 1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势 E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子 电流. 解;1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)电动机起动时的转子电流 I2st ? E20 ? R22 ? X 2 20 20 ? 242.5A 0.022 ? 0.082 制作：张津 4.三相异步电动机的机械特性 1).三相异步电动机的转矩 三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流 相互作用而产生的: T ? Kt?I2 cos?2 E2o ? 4.44Sf1N2? 代入 I2 ? E2 ? R22 ? X 22 sE2o R22 ? (sX 20 )2 用 COS?2 ? R2 R22 ? (sX 20 )2 代入,合并上面几个式子得转矩又一公式: T ? K SR2U 2 R22 ? (SX 20 )2 注意,转矩与电压平方成正比 制作：张津 2).三相异步电动机的机械特性n=f(T) 固有机械特性(自然机械特性):在额定电压和 额定频率下,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,电 动机的机械特性. 自然特性上有4个特殊点: (1)理想空载转速点no T=0, n=no, S=0; (2)额定工作点 T=TN, n=nN, S=SN;此时有 TN ? 9550 PN nN SN ? n0 ? nN n0 制作：张津 自然机械特性 (3)起动工作点 T=Tst, n=0, S=1;此时有 Tst ? K R2U 2 R2 2 ? X 2 20 ? st ? Tst TN (4)临界工作点 T=Tanm, n=nm, s=Sm;有: Sm ? R2 X 20 ?m ? Tman TN Tman ? K U2 2 X 20 制作：张津 人工机械特性 介绍4种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路 串入电阻或电抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时. (1)降低电压时的人工特性 ?电压越低,人工特性曲线越往左 移; ? 电动机的过载能力和起动 转矩会大大降低; ? 电压降低,负载转矩不变时, 电动机过热; ? 电压降低太多,电动机将带 不动负载(不能起动). 制作：张津 (2)定子电路串入电阻或电抗 时的人工特性 ?定子电路串电阻或电抗时的人工 机械特性如右图中虚线为 电压降低时的人工机械特性; ? 曲线相比较,转矩 要大一些. 制作：张津 (3)改变定子电源频率时的人工 特性 ? 随着频率的降低,理想 空载转速只能在电源额定 频率以下调节; ?转速no减小,临界转差率 Sm减小,起动转矩Tst增大, 转矩Tmax不变. 制作：张津 (4)三相线绕式异步电动机 转子电路外接电阻时的人 工特性 ?电路图如右图中(a) 所示,三相转子绕组通 过滑环电刷机构与外 接电阻相联接; ?起动转矩增加(有利), 理想空载转速和 转矩不变. 制作：张津 5.三相异步电动机的起动特性 生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动 电流小. 1) .三相鼠笼式异步电动机的起动方法 三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足 起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降 压起动两类. (1)直接起动(全电压起动)适用范围; 电动机功率20%变压器容量. 一般中小型鼠笼式异步电动机都 采用 全电压直接起动. 制作：张津 (2) 降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的 起动电流,采用降压起动.在工常用的降压起动方法有4种: 定子串电阻或电抗器,Y-△变换,自耦变压器,延边三角形. (1)定子绕组串电阻或电抗器降压 起动 电路图如右图; 不足之处:起动转矩随定子电压的 平方下降; 不经济. 应用场合:电动机空载或轻载起动. 制作：张津 (2)Y- △降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是△接法的电动机才能采 用Y- △降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用 △接线.也就是说,大容量电动机都可以用Y- △降压起动. Y- △降压起动的电气 原理图如右图所示.起动时, 三相绕组接成Y形,运行时,绕 组接成△形.电流下降1/3,转 矩也下降1/3. 特点: 电动机Y形起动过程中,可提高 电动 机的效率和功率因数; 起动转矩小,只适用于空载或 轻载起动的场合; 设简单,经济; 在机床工业上应用较普遍. 制作：张津 (3)自耦变压器降压起动 特点: 起动电流小,而且可以调 节; 不适用于频繁起动; 体积大,重量重,价格高. 与定子串电阻或电抗器起 动相比较,在相同的起动 转矩情况下,起动电流要小. 制作：张津 (4)延边三角形起动 对电动机定子绕组和 绕组出线有特殊要求; 起动时绕组一部分Y形, 一部分△形接线;运行时 绕组△接线. 制造成本高,接线复杂. 制作：张津 2).三相线绕式异步电动机的起动方法. 线绕式电动机在转子电路串电阻,可以获得较大的起 动转矩以及较小的起动电流,即有良好的起动特性. (1).逐级切除起动电阻法 (1)电路图:如右图.转子 外接电阻为三相对称电阻;当电动 机容量大时,一般采用三相不对称 电阻. (2)起动过程:起动初瞬,电 阻全部接入;在起动过程中,分三次 切除外接电阻,人工特性往上提,电 阻全部切除后,通过提刷机构,使转 子绕组短接,机械特性回到自然特 性. (3)特点:在起动过程中,电 动机能保持的加速转矩. 制作：张津 (2)频敏变阻器起动法 (1)频敏变阻器:它是一个铁损很 大的 三相电抗器,铁心用A3钢板 叠成,三相绕组接成Y形. (2)起动过程:起动初瞬,转子电流 频率接近50Hz,铁损大,即等效阻抗 大,从而限制了起动电流,增大了起 动转矩.随着转速逐步上升,等效阻 抗逐步减小;到转速达额定转速,相 当转子被短接,起动结束. (3)特点:起动过程能平滑进行, 不需要控制电器; 功率因数低; 只能用于起动,而串电 阻起动时,电阻还可用于调速. 制作：张津 3.举例 例1:一台Y280S-4三相鼠笼式异步电动 机,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由320kVA 的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1) 电动机能否直接起动?(2)电动机能否用Y- △降压起动? 解(1)电动机额定功率与供电变压器容量之比为 75/320=0.2340.2 电动机不宜直接起动. (2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为 TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484Nm Tst=1.9TN=1.9X484=920Nm 如果采用Y- △降压起动,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一,即 TstY=1/3X920=307200=TL 因此,可以采用Y- △降压起动. 制作：张津 举例 例2:一台JZR-63-10三相线绕式异步电动机的额定数 为:PN=60kW,nN=577r/min,转子滑环间的开路线V,转 子每相绕组的电阻R2=0.0344欧,转子不动时每相绕组的漏抗 X20=0.163欧,求: (1)电动机直接起动时的E2,I2, cos?2 (2)电动机运行在额定转速时的E2,I2, cos?2 (3)电动机运行在n=528r/min时的E2,转子电路每相应串电阻R及 cos?2 解:电动机直接起动时,n=0,S=1,转子电路每相的电动势 (1)E20=E20l/ 3 =146V I2st ? E20 ? R2 2 ? X 2 20 146 ? 87604A 0.03442 ? 0.1632 cos?2 ? R2 ? 0.206 R22 ? X 2 20 制作：张津 (2) SN ? no ? nN no ? 600 ? 577 600 ? 0.0383 E2N ? SN E20 ? 5.6 I2N ? E2 N ? 160A R22 ? X 2N 2 X 2N ? SN X 20 ? 0.006243 cos?2N ? R2 ? 0.984 R22 ? X 2N 2 (3) S ? n0 ? n ? 600 ? 528 ? 0.12 n0 600 E2 ? SE20 ? 17.5 X 2 ? SX 20 ? 0.0196 由下式 I2 ? E2 (R2 ? R)2 ? X 2 2 得R=0.0732欧; 由 cos?2 ? R ? R2 (R ? R2 )2 ? X 2 2 得 cos?2 ? 0.984 制作：张津 6.三相异步电动机的制动特性 异步电动机制动方法有3种:反馈制动,反接制动,能耗制动. 1).反馈制动 (1)产生条件: 电动机的运行速度高于同步 转速.此时S0,电机进入发电状 态,电能反馈给电网. (2)运行状态: 有两种情况. (1)位能转矩负载的起重机在下放 重物时的反馈制动状态. 可使重物匀速下降如右图中a 点.b点是改变转子外接电阻后 的稳定工作点. (2)多速电动机和变频调速电机 的同步速突然降低时的反馈制动 状态. 制作：张津 2).反接制动:分为电源反接和倒拉制动. 电源反接是突然改变三相电 源的相序,旋转磁场反向; 而倒拉制动则出现在转子 位能负载超过电磁转矩的 时候. (1)电源反接: 转子在由正变负的电磁 转矩和负载转矩作用下迅速减 速.反接制动时电流大,要在定 子电路串电阻. 在右图c点要切断电源(n=0), 否则电动机将反向起动. 制作：张津 反接制动:分为电源反接和倒拉制动. (2)倒拉制动: 电动机减速至右图 c点,由于负载转矩大于电 磁转矩,起重机的重物迫 使电动机反转,电动机进 入反接制动状态. 制作：张津 3).能耗制动 (1)产生条件: 电动机定子绕组脱离交流电源后,立即通入低压直流电,直流 电建立一个恒稳磁场,产生制动转矩,系统贮存的能量消耗在电阻上. (2)机械特性:制动时,特性从下图中的特性曲线之a点平移至 特性曲线之b点,在制动转矩和负载转矩的共同作用下,沿曲线时,T=0,电动机不可能反方向起动,能使电动机准 确停车. 制作：张津 7.三相异步电动机的调速特性 由基本公式 和基本公式 S ? n0 ? n n0 60 f n0 ? p 可得异步电动机的转速方程式为: n ? 60 f (1? S) p 异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p; 变转差率S;变频率f. 制作：张津 n ? 60 f (1? S) 1).变磁极对数调 p 速 (1)方法: 改变定子绕组的连接, 可以得到两个不同的磁极 对数. (2)多速电动机: 多在电动机中嵌入 两套绕组,使绕组有不同 的连接,可分别得到双速, 三速,四速电动机,双速应 用较多. 4极 2极 制作：张津 变磁极对数调速 3)特点: 结构简单,效率高,特性好;体积大,价格高.在中小机床 上应用比较多. 双速电动机的高低速转换,一般是先低速,再转换为高速. 双速电动机Y/YY ? /YY 制作：张津 n ? 60 f (1? S) 2).转子电路串电阻p(变转差率)调速 (1)应用范围: 只适用于线)原理电路和机械特性与串电阻降压起动相同. 线绕式异步电动机的起动电阻,适当增大电阻的容 量,可作调速电阻用. (3)特点: 结构简单,动作可靠;是有级调速. (4)应用: 用于重复短时工作制的生产机械,如起重机械. 三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速 制作：张津 n ? 60 f (1? S) 3).变频调速 p (1)原理: 由上式可知,改变交流电源的频率,就可以平滑地调 节电动机的转速. (2)一般采用频率和电压同时改变的变频电源. (3)应用范围: 用于鼠笼式异步电动机.组成SCR-M调速系统. 变频调速是交流调速发展的方向.有关内容在后面的 章节详细介绍. 制作：张津 1.3 控制电机简介 ? 控制电机的主要作用是用来完成信息的传 递与交换,而不是进行能量转换. 制作：张津 1) 直流伺服电动机 ? 1.基本结构:与普通他 激直流电动机相同.(有 换向器) ? 2.分类:电磁式(他激式); ? 永磁式, ? 3.电气原理图:如右图. 其中(a)为电磁式(b)为 永磁式. ? 4.参数:输出功率1- 600W. 制作：张津 2).交流伺服电动机 (1)结构 ? (1)定子: ? 定子由硅钢片叠成; ? 在定子铁心的内圆表面嵌 ? 有两套相差90度电角度的 绕组:激磁绕组WF,控制绕 组WC; ? 这两套绕组分别由两个电 源供电. 接线图 制作：张津 两相交流伺服电动机的结构 ? (2)转子: ? 分为鼠笼型和杯型两种. ? (1)鼠笼型转子作得细而长, 转子导体采用高电阻率的 材料.用于小功率的自动控 制系统.产品型号SL系列. ? (2)空心杯型转子作成薄壁 圆筒形,放在内外定子之间. 用于要求运行平滑的系统. 产品型号SK系列. 杯型转子伺服电动机结构图 激磁绕组1;控制绕组2;内定子3; 外定子4;转子5 制作：张津 (2).基本工作原理 ? 两相绕组WF和WC分别通 入频率相同的交流电,产生 旋转磁场,使伺服电动机起 动. ? 取消WC后,要防止自转. ? (3).消除自转现象的措施 ? 加大转子电阻.如: ? 采用薄壁杯形转子. ? 鼠笼条用高阻材料黄铜 转子电阻不同时的机械特性 制作：张津 (4).交流伺服电动机的特性和应用 ? 控制方法;有三种. ? 幅值控制,相位控制,幅-相控制 ? 幅值控制原理图:控制电压Uc越 高,电动机转速越高. 不同控制电压下的机械特性 制作：张津 应用举例 ? (1)参数:交流伺服电动机输出功率为0.1-100W(再大则用直 流伺服电动机); 电源频率50-Hz. ? (2)应用:雷达天线的旋转控制;飞机驾驶盘的控制;流体阀门 开关控制, 应用方框图 制作：张津 2)步进电动机 是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的一种执行元件 ? (1)分类与结构 ? 步进电动机分为反应式,永 磁式,和混合式三种. ? 三相反应式步进电动机由 C 定子和转子两个部分构成. A B ? 右图中,定子有6个磁极,两 个相对的磁极组成一相;转 子上有均匀分布的4个齿. B C A 制作：张津 (2)步进电动机的工作原理 由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电。设相序为A→B→C→A。 当A相控制绕组通电， 而B、C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合， 而磁力线总是力图从磁阻小的路径通过， 故电动机转子受到一个反应转矩(静转矩)的作用，在此转矩的作用下， 使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，如图(a)所示， 然后B相通电如图(b)所示,转子在空间沿逆时针方向转过30度,转子前进一步. 同理,C相通电时,转子转到图?所示位置;D相通电时,转子转到图(d)所示位置. 按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组,电动机便一步一步地转动. A A A A C B C B C B C B 21 34 1 24 3 1 24 3 14 23 B CB CB CB C A A A A (a) (b) (c) (d) 制作：张津 (3)通电方式 ? 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一 拍转子所转过的角度称为一个步距角β。步进电动 机的通电方式有三种。对于三相反应式步进电动 机来说，每次只有一相绕组单独通电，如 A→B→C→A，控制绕组每换接三次构成一个循 环，这种方式称为三相单三拍；若每次有两相绕 组同时通电，如AB→BC→CA→AB，每次循环换 接三次，这种方式称为三相双三拍；若单相通电 和两相通电轮流进行，如 A→AB→B→BC→C→CA→A，这种方式被称为 三相六拍。 制作：张津 (4)小步距角步进电动机 ? 步进电动机无论采用哪种通电方式，步距角都太大，无法满足生产中 对精度的要求，在实际应用中一般采用小步距角的步进电动机。设转 子齿数为z，定子相数为m，则齿距角τ和步距角β为: ? Τ=360/ z β=360/K m z ? 其中K为状态系数，对于单相轮流通电方式和双相轮流通 电方式来说，K=1，而对于单双相轮流通电方式来说， K=2。 ? 从上式可知，步距角与相数及齿数有关，要想获得小的步 距角的话，必须增大相数或齿数。但是，相数越多的话， 它的驱动电源就越复杂，并且成本也越高，一般的步进电 动机做成二相、三相、四相、五相或六相。因此，减小步 距角的根本方法是增加转子齿数z。 制作：张津 3) 测速发电机 测速发电机将转速转变为电压信号,广泛用于速度和位置控制系统中. ? 1.异步(交流)测速发电机 ? 1) 结构特点:定子上有两套 互差90度电角度的激磁绕 组WF和输出绕组WC;转子 为空心杯形. ? 2) 工作原理:杯形转子可以 看成一个导条非常多的鼠 笼转子.在激磁电压一定的 情况下,当输出绕组的负载 很小时,测速发电机的输出 电压U0与转速n成正比: ? U0=Kn 转子静止时 转子转动时 制作：张津 3) 交流测速发电机使用中的几个问题 : ? (1)主要技术指标 ? 剩余电压:测速发电机转速为零 时的输出电压.它会使控制系统 误动作. ? (2)使用中应注意的问题: ? 输出特性的线性度, ? 温度变化的影响,可加温度补偿 装置. ? ? 线性误差 : 由非线性引起的误差.一般系统要求1% -2%;精密系统要求0.1%-0.25%. ?相位误差:一般要求不超过1度-2度. ?灵敏度:交流测速发电机的灵敏度比较 低. 输出特性的线.直流测速发电机 ? 1)基本原理 ? 电气原理如右图所示,它是一种 测量转速用小型他激直流发电 机.空载时,电枢两端电压为: Ua0 ? E ? Cen Ua ? Cen /(1?Ua /U L ) ?2)输出特性:负载越小,转速越高,输出特 性曲线)性能: 没有剩余电压,特性钭率比异步机大; 有换向器和电刷,换向火花产生无线电干 扰,输出特性不稳定. 制作：张津
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