机电一体化常规控制技术.ppt
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1、第二章机电一体化常规控制技术,2.1电机控制技术 2.2晶闸管变流技术,第一节 电机控制技术一.电机和电力拖动技术在国民经济中的作用:,电能是现代能源中应用最广的二次能源,它的生产、变换、传输、分配、使用和控制都比较方便经济,而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律,将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。在电力工业中,产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在工业企业中,人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械,从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中,需要大
2、量的牵引电动机。在电力排灌、播种、收割等农用机械中,都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中,也离不开功能各异的小功率电动机。,用电动机作为原动机拖动生产机械运行的系统,称为电力拖动系统。电力拖动是机电设备中的一个重要组成部分。除小部分生产机械采用气动或液压拖动外,绝大多数的生产机械都采用电力拖动,这源于电力拖动有其一系列的优点:(1)电能的远距离输送简便经济,分配简单,检测方便;(2)电力拖动比其他形式的拖动效率高,电动机与被拖动机械的联接简便;(3)电动机的形式和种类很多,具有各种各样的特性,可适应不同生产机械的需要,且电力拖动的起动、制动与调速等控制简便迅速,调节性能好;(4)可实
3、现远距离控制与自动调节,并进而实现生产过程的自动化。,二.电机的类型及所用的材料,现代能源的主要形式是电能,与电能密切关联的电机广泛应用于社会生产的各个部门和社会生活的各个方面。电机的品种繁多,按其功能用途可分为变压器、直流电机、交流电机和控制电机,如图0.1所示。无论是哪一种电机,都 必须以磁场作为其耦合 场,通过电磁感应作用 来实现能量转换。为了 在一定的励磁电流下产 生较强的磁场,电机的磁 路均用导磁性能良好的 铁磁材料组成。,三.直流电机的工作原理与结构,直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机,将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流
4、电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力,一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外,结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。,1.直流电机的结构,直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的,即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子,静止部分称为定子,在定子和转子之间存在着气隙。小型直流电动机结构如图1.3所示,其剖面结构如图1.4所示。(1)定子部分定子的作用,在电磁方面是产生磁场和构成磁路,在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成,如图1.3所示。,图1.3小型直流电动机的结构,图1.4小型直流电动机的剖面结构1电枢绕组;2电
5、枢铁芯;3机座;4主磁极铁芯;5励磁绕组;6换向绕组;7换向极铁芯;8主磁极极靴;9机座底脚,(2)转子部分转子又称电枢,是电机的转动部分,是用来产生感应电动势和电磁转矩,从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。电枢铁芯电枢铁芯是主磁路的一部分,同时用来嵌放电枢绕组。当电机旋转时,为减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗,电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5 mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内,并与换向器联结。电枢绕组是直流电机的重要组成
6、部分,电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量的转换。,换向器换向器又称整流子。对于发电机,换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压;对于电动机,它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器如图1.9所示。换向器是由换向片组合而成的,是直流机的关键部件,也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形,嵌在含有云母绝缘的V形钢环内,拼成圆筒形套在钢套筒上,相邻的两换向片间以0.61.2 mm厚的云母片作为绝缘,最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部
7、分与绕组引出线间焊接。,图1.9 换向器结构1V形套筒;2云母片;3换向片;4联结片,2.直流电机的铭牌数据,表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上,所以又称为铭牌数据。它是正确合理使用电机的依据。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等,此外还有电机的出厂数据,如出厂编号、出厂日期等。国产电机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示,其格式为:第一部分用大写的拼音表示产品代号,第二部分用阿拉伯数字表示设计序号,第三部分用阿拉伯数字表示机座代号,第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。,如:Z292中的Z
8、表示一般用途直流电机;2表示设计序号,第二次改型设计;9表示机座代号;2表示电枢铁芯长度代号。电机铭牌上所标的数据称为额定数据,具体含义如下:额定功率PN是指在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机,额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率;对于发电机,额定功率是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW。额定电压UN是指额定工作条件下电机出线端的平均电压。对于电动机,额定电压是指输入额定电压;对于发电机,额定电压是指输出额定电压。额定电压的单位为V。,额定电流IN是指电机在额定电压下,运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A。额定功率、额定电压和额定电流的关系为:发电机电动机额
9、定转速 指对应于额定电流、额定电压,电机运行于额定功率时所对应的转速。额定转速的单位为。额定励磁电流 是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A。励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的联结方式。根据电枢线圈与励磁线圈的联结方式不同,直流电机励磁有并励、串励、他励和复励等方式。,在电机的铭牌上还标有其他数据,如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同,由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值,称为满载运行;若电机的电流超过额定值,称为过载运行;若比额定值小得多,称为轻载运行。长期轻载
10、运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时,应根据负载的要求,尽可能使电机运行在额定值附近。,小结直流电机由定子和转子两部分组成。定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置。转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向极转轴和轴承等。导体在磁场中运动产生感应电动势;载流导体在磁场中受力。这两个规律是直流电机工作的基础。电枢是直流电机的核心。电枢由电枢铁芯及其上的电枢绕组共同组成。电能向机械能转换及机械能向电能转换均是在电枢中完成的。,四.三相异步电动机的电力拖动,(一)三相异步电动机的起动性能 异步电动机的起动就是转速从零开始到稳定运行状态的一个过度过程。衡量异步电动机起动性能的优劣要从起动电流、起
11、动转矩、起动过程的平滑性、起动时间及经济性等方面综合进行考虑,其中最主要的是:(1)电动机应有足够大的起动转矩。(2)在保证一定大小的起动转矩的前提下,起动电流越小越好。异步电动机在刚起动时s=1,若忽略励磁电流,则起动电流为 起动电流即短路电流,数值很大,一般电动机的起动电流可达额定电流值的47倍。对于容量较大的电动机,这样大的起动电流,一方面使电源和线路上产生很大的压降,影响其他用电设备的正常运行,使电灯亮度减弱,电动机的转速下降,欠电压继电保护动作而将正在运转的电气设备断电等。另一方面电流很大将引起电动机发热,特别对频繁起动的电动机,发热更为厉害。,起动电流大时,起动转矩又如何呢?起动时
12、虽然电流很大,但定子绕组阻抗压降变大,电压为定值,则感应电动势将减小,主磁通 将减小;又因,起动时的功率因数 很小,从转矩表达式 中可以看出,此时的起动转矩并不大。从上面的分析可以看出,要限制起动电流,可以采取降压或增大电动机参数的起动方法。为了增大起动转矩,可适当加大转子的电阻。,1.直接起动,直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上,其接线图如图8.1所示。取熔体的额定电流为电动机额定电流的2.53.5倍。一般对于小型笼型异步电动机如果电源容量足够大时,应尽量采用直接起动方法。对于某一电网,多大容量的电动机才允许直接起动,可按经验公式(8
13、.2)确定。3+(电源总容量/电动机额定功率)/4(8.2)电动机的起动电流倍数KI需符合式(8.2)中电网允许的起动电流倍数,才允许直接起动。一般10kW以下的电动机都可以直接起动。随电网容量的加大,允许直接起动的电动机容量也变大。需要注意的是,对于频繁起动的电动机不允许直接起动,否则应采取降压起动。,2.降压起动,降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压,起动结束时加额定电压运行的起动方式。降压起动虽然能降低电动机起动电流,但由于电动机的转矩与电压的平方成正比,因此降压起动时电动机的转矩也减小较多,故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。降压起动的方法有以下几种。,定子串接电抗器或
14、电阻的降压起动,方法:起动时,电抗器或电阻接入定子电路;起动后,切除电抗器或电阻,进入正常运行,三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻器起动时定子绕组实际所加电压降低,从而减小起动电流。但定子绕组串电阻起动时,能耗较大,实际应用不多。,星形三角形(Y)降压起动,方法:起动时定子绕组接成Y形,运行时定子绕组则接成形,其接线图如图8.3所示。对于运行时定子绕组为Y形的笼型异步电动机则不能用Y起动方法。,自耦变压器(起动补偿器)起动,方法:自耦变压器也称起动补偿器。起动时电源接自耦变压器原边,副边接电动机。起动结束后电源直接加到电动机上。,(二).三相异步电动机的调速,近年来,随着电力电子技术的发展,
15、异步电动机的调速性能大有改善,交流调速应用日益广泛,在许多领域有取代直流电动机调速系统的趋势。从异步电动机的转速关系式n=n1(1s)=可以看出,异步电动机的调速可分以下三大类:(1)改变定子绕组的磁极对数p,称为变极调速;(2)改变供电电源的频率f1,称为变频调速;(3)改变电动机的转差率s,其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速和串级调速。,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,电动机的同步转速就会发生变化,从而改变电动机的转速。若极对数减少一半,同步转速就提高一倍,电动机转速也几乎升高一倍。通常用改变定子绕组的接法来改变极对数,这种电动机称多速电动机。其转子
16、均采用笼型转子,其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时,从定子绕组中抽出一些线头,以便于使用时调换。,2.变频调速,三相异步电动机的同步转速为 因此,改变三相异步电动机的电源频率,可以改变旋转磁场的同步转速,达到调速的目的。保持 为常数,保持 U1/f1 为常数。升高电源电压是不允许的,因此,升高频率向上调速时,只能保持电压不变,频率越高,磁通越低,是一种降低磁通升速的方法,即弱磁升速,变频电源,异步电动机变频调速的电源是一种能调压的变频装置。如何能取得经济、可靠的变频电源,是实现异步电动机变频调速的关键,也是目前电力拖动系统的一个重要发展方向。目前,多采用由晶闸管或自关断功
17、率晶体管器件组成的变频器。变频器若按相分类,可以分为单相和三相;若按性能分类,可以分为交-直-交变频器和交-交变频器。变频器的作用是将直流电源(可由交流经整流获得)变成频率可调的交流电(称交-直-交变频器)或是将交流电源直接转换成频率可调的交流电(交-交变频器),以供给交流负载使用。交-交变频器将工频交流电直接变换成所需频率的交流电能,不经中间环节,也称为直接变频器关于变频电源的具体情况,可参考有关变频技术一类的书籍。,变频技术的应用,变频调速由于其调速性能优越,即主要是能平滑调速、调速范围广、效率高,又不受直流电动机换向带来的转速与容量的限制,故已经在很多领域获得广泛应用,如轧钢机、工业水泵
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