机械电子工程原理.PPT

机械电子工程原理 第四章 电气执行元件 * 基本概念 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。 对任何电动机，都可定义功率密度和比功率两项指标。 功率密度 ，P为电动机功率；V为电动机的体积。 比功率 TN为额定转矩。 * 基本概念 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。 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，往往不特别要求低速平稳性，而比功率高是主要要求。 比功率高低顺序依次是：直流无刷电动机步进电机直流伺服电动机交流伺服电动机。 * 电动机 按照电源形式分类： 直流电动机 交流电动机 按照用途分类： 驱动用电动机（进行能量转换） 控制用电动机 （进行控制信号转换和传送） 步进电动机 伺服电动机 * 4.1直流电动机 优点： 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 控制方法简单，动态响应快 缺点： 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 制造复杂，大容量直流电动机成本较高 * 直流电动机 按照励磁方式分类 永磁式——稀土永磁体的广泛应用 励磁式 他励式 串励式 自励式 并励式 复励式 速度控制方法 调压调速 弱磁调速 电枢回路串入电阻——效率较低 * 直流电动机调速方法 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 调压调速（电枢电压控制）： 要求励磁电压恒定，且磁路不饱和。 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 * 直流电动机稳态特性1 机械特性：是一定控制电压下转矩与转速之间的关系 。 对于并励或者永磁直流电动机 当控制电压一定，转速和转矩成负线性关系，此系数绝对值越小，则称机械特性越硬。 ω T Ua增大 * 直流电动机稳态特性2 调节特性：指一定负载转矩下稳态转速随控制电压变化的关系 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广，适用于轧钢机、造纸机等高精度调速场合。 Ua ω T增大 * 直流电动机动态特性 动态电压：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 动态转矩：将直流电动机的负载和转子转动惯量合成为J，并考虑转动时的粘性摩擦(系数k) * 直流电动机调速装置 交流-直流变流器 工业中大量应用的交流-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，造成对其它设备的干扰。 直流-直流变流器 直流-直流变流器有逆变-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（PWM）方式。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，不需滤波电抗器也能平稳工作，系统的调速范围很宽。 * 4.2交流异步电动机 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机。 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)。以往在要求调速范围较宽的设备中，多采用直流电动机。 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(与磁场同步/异步)。 * 交流异步电动机调速方法 1. 改变转差率s，可在转子绕组中串接电阻来改变转差率s 。 这种方法成本低，易实现，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U也可改变转差率s，这种方法损耗也很大。损耗使电动机的效率降低，特性变差。 2. 改变极对数p，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p的可取值，往往是2或3。 3. 改变定子供电频率f，可以无级地改变电动机的同步转速n0，这种方法称为变频调速，如果定子电压与定子供电频率f 协调，性能会更好。随着电力电子技术的发展，变频调速应用日益广泛。 * 交流异步电动机特性1 机械特性：异步电动机的稳