机械电子工程原理第四章电气执行元件

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1、机械电子工程原理机械电子工程原理第四章第四章 电气执行元件电气执行元件 2基本概念基本概念n电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小电信号易于传送和变换，电能易于控制，在中小功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气功率的机械电子系统中，电源往往也比油源和气源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介源方便，电气执行元件不需任何流体作为工作介质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这质，免除了介质的可压缩和泄漏等弊端。由于这些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行些原因，电气执行元件是用途最广泛的一类执行元件，特别是各种执行电动机。元件，特别是各种执行电动机。 n对任何电动机，都可定义功率密

2、度和比功率两项对任何电动机，都可定义功率密度和比功率两项指标。指标。功率密度功率密度 ，P为电动机功率；为电动机功率；V为电动机的体积。为电动机的体积。 比功率比功率 TN为额定转矩。为额定转矩。 PPVNN()|T TdPd TdTdtdtdt3基本概念基本概念n对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、对于起停较少的场合，如用于数控机械的进给、机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速机器人驱动的电动机，往往要求低速平稳、高速振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运振动小、转矩脉动小，并且调速全范围内稳定运行。这种场合下功率密度是主要指标。行。这种场合下功率密度是主要指标。 n对于起停较

3、多的场合，如用于高速打印机、绘图对于起停较多的场合，如用于高速打印机、绘图仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低仪、集成电路焊接的电动机，往往不特别要求低速平稳性，而比功率高是主要要求。速平稳性，而比功率高是主要要求。n比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机步进步进电机电机直流伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机。交流伺服电动机。 4电动机电动机n按照电源形式分类：按照电源形式分类：直流电动机直流电动机交流电动机交流电动机n按照用途分类：按照用途分类：驱动用电动机（进行能量转换）驱动用电动机（进行能量转换）控制用电动机控制用电动机 （进行控制信号转换和传

4、送）（进行控制信号转换和传送） 步进电动机步进电动机 伺服电动机伺服电动机54.1直流电动机直流电动机n优点：优点：调速范围宽广，调速特性平滑调速范围宽广，调速特性平滑过载能力较强，起动和制动转矩较大过载能力较强，起动和制动转矩较大控制方法简单，动态响应快控制方法简单，动态响应快n缺点：缺点：存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运存在换向器，有磨损、电火花问题，不适用于高速运转和易燃场合转和易燃场合制造复杂，大容量直流电动机成本较高制造复杂，大容量直流电动机成本较高6直流电动机直流电动机n按照励磁方式分类按照励磁方式分类永磁式永磁式稀土永磁体的广泛应用稀土永磁体的广泛应用励磁式励磁式

5、他励式他励式 串励式串励式 自励式自励式 并励式并励式 复励式复励式n速度控制方法速度控制方法调压调速调压调速弱磁调速弱磁调速电枢回路串入电阻电枢回路串入电阻效率较低效率较低7直流电动机调速方法直流电动机调速方法n弱磁调速：所需控制功率较小弱磁调速：所需控制功率较小为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实为满足负载转矩要求，需要保持电枢电流恒定，但实际上很困难（反电势的原因）际上很困难（反电势的原因）励磁电路时间常数较大，调节时间长励磁电路时间常数较大，调节时间长n调压调速（电枢电压控制）：调压调速（电枢电压控制）：要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。可利用电

6、枢反电动势作为阻尼可利用电枢反电动势作为阻尼实际应用要考虑功率放大器的时间常数实际应用要考虑功率放大器的时间常数8直流电动机稳态特性直流电动机稳态特性1n机械特性：机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。n对于并励或者永磁直流电动机对于并励或者永磁直流电动机n当控制电压一定，转速和转矩成当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝负线性关系，此系数绝对值越小，则称机械特性越硬。对值越小，则称机械特性越硬。TeTTaaK KKTK IURRTUa增大增大9直流电动机稳态特性直流电动机稳态特性2n调节特性：调节特性：指一定负载转矩下指一定负载转矩下

7、稳态转速稳态转速随控制电压变化随控制电压变化的关系的关系n直流电动机具有优良的调速特性直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便调速平滑、方便,调速范调速范围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。UaT增大增大aeTeURTKK K10直流电动机动态特性直流电动机动态特性n动态电压：动态电压：因电枢旋转产生的感应电动势，使得因电枢旋转产生的感应电动势，使得电枢上的电流随转速变动电枢上的电流随转速变动n动态转矩：动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量将直流电动机的负载和转子转动惯量合成为合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦，并考虑转动时的粘性摩擦

8、(系数系数k)2aepNEKaaaaaaadILR IEUdtTadJkTK Idt11直流电动机调速装置直流电动机调速装置 n交流交流-直流变流器直流变流器 工业中大量应用的交流工业中大量应用的交流-直流变流器是晶闸管相位控制直流变流器是晶闸管相位控制变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制变流器，由整流变压器或进线电抗器、晶闸管、控制器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸器组成。控制器的核心是模拟电路或微处理器。晶闸管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对管变流装置产生的高次谐波可进入工业电网，造成对其它设备的干扰。其它设备的干扰。n直流直流-直流变流器直流变流器 直流

9、直流-直流变流器有逆变直流变流器有逆变-整流方式和直流斩波方式，目整流方式和直流斩波方式，目前较先进的是晶体管脉宽调制（前较先进的是晶体管脉宽调制（PWM）方式。）方式。系统的系统的响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小，响应速度和稳速精度较好。电动机的电枢电流脉动小，不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。124.2交流异步电动机交流异步电动机n交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、成本较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动较低、坚固耐用的优点，是应用最为广泛的电动机。机。n缺点是不

10、能经济地在较为广泛的范围内平滑调速缺点是不能经济地在较为广泛的范围内平滑调速(因变频器价格较高因变频器价格较高)。以往在要求调速范围较宽。以往在要求调速范围较宽的设备中，多采用直流电动机。的设备中，多采用直流电动机。n同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有同步与异步：转速是否与所接交流电源频率具有严格不变的关系严格不变的关系(与磁场同步与磁场同步/异步异步)。160(1)fnsp13交流异步电动机调速方法交流异步电动机调速方法n1. 改变转差率改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转，可在转子绕组中串接电阻来改变转差率差率s 。 这种方法成本低，易实现，但调速机械特性这种方法成本低，易

11、实现，但调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压很软，低速运行时电阻损耗很大。改变定子电压U也也可改变转差率可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动，这种方法损耗也很大。损耗使电动机的效率降低，特性变差。机的效率降低，特性变差。n2. 改变极对数改变极对数p，这种方法调速是有级的，而且调速，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。电动机设计制造时就已决定了范围窄。电动机设计制造时就已决定了p的可取值，的可取值，往往是往往是2或或3。n3. 改变定子供电频率改变定子供电频率f，可以无级地改变电动机的同，可以无级地改变电动机的同步转速步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压