1、機械電子工程原理機械電子工程原理第四章第四章 電氣執行元件電氣執行元件 2基本概念基本概念n電信號易于傳送和變換，電能易于控制，在中小電信號易于傳送和變換，電能易于控制，在中小功率的機械電子系統中，電源往往也比油源和氣功率的機械電子系統中，電源往往也比油源和氣源方便，電氣執行元件不需任何流體作為工作介源方便，電氣執行元件不需任何流體作為工作介質，免除了介質的可壓縮和泄漏等弊端。由于這質，免除了介質的可壓縮和泄漏等弊端。由于這些原因，電氣執行元件是用途最廣泛的一類執行些原因，電氣執行元件是用途最廣泛的一類執行元件，特別是各種執行電動機。元件，特別是各種執行電動機。 n對任何電動機，都可定義功率密

2、度和比功率兩項對任何電動機，都可定義功率密度和比功率兩項指標。指標。功率密度功率密度 ，P為電動機功率；為電動機功率；V為電動機的體積。為電動機的體積。 比功率比功率 TN為額定轉矩。為額定轉矩。 PPVNN()|T TdPd TdTdtdtdt3基本概念基本概念n對于起停較少的場合，如用于數控機械的進給、對于起停較少的場合，如用于數控機械的進給、機器人驅動的電動機，往往要求低速平穩、高速機器人驅動的電動機，往往要求低速平穩、高速振動小、轉矩脈動小，并且調速全范圍內穩定運振動小、轉矩脈動小，并且調速全范圍內穩定運行。這種場合下功率密度是主要指標。行。這種場合下功率密度是主要指標。 n對于起停較

3、多的場合，如用于高速打印機、繪圖對于起停較多的場合，如用于高速打印機、繪圖儀、集成電路焊接的電動機，往往不特別要求低儀、集成電路焊接的電動機，往往不特別要求低速平穩性，而比功率高是主要要求。速平穩性，而比功率高是主要要求。n比功率高低順序依次是：直流無刷電動機比功率高低順序依次是：直流無刷電動機步進步進電機電機直流伺服電動機直流伺服電動機交流伺服電動機。交流伺服電動機。 4電動機電動機n按照電源形式分類：按照電源形式分類：直流電動機直流電動機交流電動機交流電動機n按照用途分類：按照用途分類：驅動用電動機（進行能量轉換）驅動用電動機（進行能量轉換）控制用電動機控制用電動機 （進行控制信號轉換和傳

4、送）（進行控制信號轉換和傳送） 步進電動機步進電動機 伺服電動機伺服電動機54.1直流電動機直流電動機n優點：優點：調速范圍寬廣，調速特性平滑調速范圍寬廣，調速特性平滑過載能力較強，起動和制動轉矩較大過載能力較強，起動和制動轉矩較大控制方法簡單，動態響應快控制方法簡單，動態響應快n缺點：缺點：存在換向器，有磨損、電火花問題，不適用于高速運存在換向器，有磨損、電火花問題，不適用于高速運轉和易燃場合轉和易燃場合制造復雜，大容量直流電動機成本較高制造復雜，大容量直流電動機成本較高6直流電動機直流電動機n按照勵磁方式分類按照勵磁方式分類永磁式永磁式稀土永磁體的廣泛應用稀土永磁體的廣泛應用勵磁式勵磁式

5、他勵式他勵式 串勵式串勵式 自勵式自勵式 并勵式并勵式 復勵式復勵式n速度控制方法速度控制方法調壓調速調壓調速弱磁調速弱磁調速電樞回路串入電阻電樞回路串入電阻效率較低效率較低7直流電動機調速方法直流電動機調速方法n弱磁調速：所需控制功率較小弱磁調速：所需控制功率較小為滿足負載轉矩要求，需要保持電樞電流恒定，但實為滿足負載轉矩要求，需要保持電樞電流恒定，但實際上很困難（反電勢的原因）際上很困難（反電勢的原因）勵磁電路時間常數較大，調節時間長勵磁電路時間常數較大，調節時間長n調壓調速（電樞電壓控制）：調壓調速（電樞電壓控制）：要求勵磁電壓恒定，且磁路不飽和。要求勵磁電壓恒定，且磁路不飽和。可利用電

6、樞反電動勢作為阻尼可利用電樞反電動勢作為阻尼實際應用要考慮功率放大器的時間常數實際應用要考慮功率放大器的時間常數8直流電動機穩態特性直流電動機穩態特性1n機械特性：機械特性：是一定控制電壓下轉矩與轉速之間的關系是一定控制電壓下轉矩與轉速之間的關系 。n對于并勵或者永磁直流電動機對于并勵或者永磁直流電動機n當控制電壓一定，轉速和轉矩成當控制電壓一定，轉速和轉矩成負線性關系，此系數絕負線性關系，此系數絕對值越小，則稱機械特性越硬。對值越小，則稱機械特性越硬。TeTTaaK KKTK IURRTUa增大增大9直流電動機穩態特性直流電動機穩態特性2n調節特性：調節特性：指一定負載轉矩下指一定負載轉矩下

7、穩態轉速穩態轉速隨控制電壓變化隨控制電壓變化的關系的關系n直流電動機具有優良的調速特性直流電動機具有優良的調速特性,調速平滑、方便調速平滑、方便,調速范調速范圍廣，適用于軋鋼機、造紙機等高精度調速場合。圍廣，適用于軋鋼機、造紙機等高精度調速場合。UaT增大增大aeTeURTKK K10直流電動機動態特性直流電動機動態特性n動態電壓：動態電壓：因電樞旋轉產生的感應電動勢，使得因電樞旋轉產生的感應電動勢，使得電樞上的電流隨轉速變動電樞上的電流隨轉速變動n動態轉矩：動態轉矩：將直流電動機的負載和轉子轉動慣量將直流電動機的負載和轉子轉動慣量合成為合成為J，并考慮轉動時的粘性摩擦，并考慮轉動時的粘性摩擦

8、(系數系數k)2aepNEKaaaaaaadILR IEUdtTadJkTK Idt11直流電動機調速裝置直流電動機調速裝置 n交流交流-直流變流器直流變流器 工業中大量應用的交流工業中大量應用的交流-直流變流器是晶閘管相位控制直流變流器是晶閘管相位控制變流器，由整流變壓器或進線電抗器、晶閘管、控制變流器，由整流變壓器或進線電抗器、晶閘管、控制器組成。控制器的核心是模擬電路或微處理器。晶閘器組成。控制器的核心是模擬電路或微處理器。晶閘管變流裝置產生的高次諧波可進入工業電網，造成對管變流裝置產生的高次諧波可進入工業電網，造成對其它設備的干擾。其它設備的干擾。n直流直流-直流變流器直流變流器 直流

9、直流-直流變流器有逆變直流變流器有逆變-整流方式和直流斬波方式，目整流方式和直流斬波方式，目前較先進的是晶體管脈寬調制（前較先進的是晶體管脈寬調制（PWM）方式。）方式。系統的系統的響應速度和穩速精度較好。電動機的電樞電流脈動小，響應速度和穩速精度較好。電動機的電樞電流脈動小，不需濾波電抗器也能平穩工作，系統的調速范圍很寬。不需濾波電抗器也能平穩工作，系統的調速范圍很寬。124.2交流異步電動機交流異步電動機n交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、成本交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、成本較低、堅固耐用的優點，是應用最為廣泛的電動較低、堅固耐用的優點，是應用最為廣泛的電動機。機。n缺點是不

10、能經濟地在較為廣泛的范圍內平滑調速缺點是不能經濟地在較為廣泛的范圍內平滑調速(因變頻器價格較高因變頻器價格較高)。以往在要求調速范圍較寬。以往在要求調速范圍較寬的設備中，多采用直流電動機。的設備中，多采用直流電動機。n同步與異步：轉速是否與所接交流電源頻率具有同步與異步：轉速是否與所接交流電源頻率具有嚴格不變的關系嚴格不變的關系(與磁場同步與磁場同步/異步異步)。160(1)fnsp13交流異步電動機調速方法交流異步電動機調速方法n1. 改變轉差率改變轉差率s，可在轉子繞組中串接電阻來改變轉，可在轉子繞組中串接電阻來改變轉差率差率s 。 這種方法成本低，易實現，但調速機械特性這種方法成本低，易

11、實現，但調速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。改變定子電壓很軟，低速運行時電阻損耗很大。改變定子電壓U也也可改變轉差率可改變轉差率s，這種方法損耗也很大。損耗使電動，這種方法損耗也很大。損耗使電動機的效率降低，特性變差。機的效率降低，特性變差。n2. 改變極對數改變極對數p，這種方法調速是有級的，而且調速，這種方法調速是有級的，而且調速范圍窄。電動機設計制造時就已決定了范圍窄。電動機設計制造時就已決定了p的可取值，的可取值，往往是往往是2或或3。n3. 改變定子供電頻率改變定子供電頻率f，可以無級地改變電動機的同，可以無級地改變電動機的同步轉速步轉速n0，這種方法稱為變頻調速，如果定子電壓

12、與，這種方法稱為變頻調速，如果定子電壓與定子供電頻率定子供電頻率f 協調，性能會更好。隨著電力電子技協調，性能會更好。隨著電力電子技術的發展，變頻調速應用日益廣泛。術的發展，變頻調速應用日益廣泛。14交流異步電動機特性交流異步電動機特性1n機械特性：機械特性：異步電動機的穩態機械特性指電壓恒定異步電動機的穩態機械特性指電壓恒定時，轉矩時，轉矩T與轉差率與轉差率s或轉速或轉速n的函數關系。的函數關系。n曲線上的重要點有：曲線上的重要點有： nN ，TN額定轉速和額定轉矩額定轉速和額定轉矩 Tst起動轉矩起動轉矩如果轉子電阻大到使機械特如果轉子電阻大到使機械特性曲線單調下降，這種交流性曲線單調下降

13、，這種交流異步電動機就適宜用作執行異步電動機就適宜用作執行電動機電動機 。15穩定工作區穩定工作區曲線曲線bc段段n設電動機的負載轉矩設電動機的負載轉矩TL為穩定值，為穩定值，與電動機的轉速無關。電動機工與電動機的轉速無關。電動機工作在作在N點，當點，當T= TL時，電動機以時，電動機以恒定速度運轉。恒定速度運轉。n若某種原因使負載轉矩若某種原因使負載轉矩TL有所增有所增大，大， 由于慣性電磁轉矩由于慣性電磁轉矩T還來不還來不及變化，于是有及變化，于是有TTL ，電動機將，電動機將減速運行，減速運行，n減小。由減小。由T(n)曲線可曲線可知：知： n減小又將使減小又將使T增大，重新使增大，重新

14、使電磁轉矩電磁轉矩T= TL 。這時電動機以。這時電動機以較原來略低的轉速穩定運行。較原來略低的轉速穩定運行。n這一過程可以表示為：這一過程可以表示為：n當擾動消失，電動機可以重新回當擾動消失，電動機可以重新回到到N點工作。點工作。LLLTTTnTTT16不穩定工作區不穩定工作區曲線曲線ab段段n不穩定工作區對應于不穩定工作區對應于T(n)曲線的曲線的ab段。電磁轉矩段。電磁轉矩T隨著速度的增加而增大。隨著速度的增加而增大。電動機在這個區域工作時電動機在這個區域工作時是不穩定的。是不穩定的。n一旦平衡被打破，如果一旦平衡被打破，如果TTL，電動機會越過，電動機會越過最大轉矩最大轉矩Tm跑到穩定

15、工作跑到穩定工作區區bc中去中去。n注意：注意：“悶車悶車”容易燒毀容易燒毀電動機電動機bLLLTTTnTnTTT超越 點0LLTT TnTnTn（停轉）17交流異步電動機特性交流異步電動機特性2n調節特性：調節特性：是指一定負載轉矩下穩態轉速隨控制電壓變是指一定負載轉矩下穩態轉速隨控制電壓變化的關系化的關系 。一般作為動力源的交流異步電動機，通常工。一般作為動力源的交流異步電動機，通常工作在額定電壓和轉速，并不采用通過定子電壓調節轉速的作在額定電壓和轉速，并不采用通過定子電壓調節轉速的辦法。辦法。 18變頻調速變頻調速n變頻技術是先從電網輸入變頻技術是先從電網輸入50Hz的交流電源，經可的交

16、流電源，經可控或不可控的整流器變成直流電壓，再由逆變器控或不可控的整流器變成直流電壓，再由逆變器在控制下變換成所需的電壓和頻率，驅動交流異在控制下變換成所需的電壓和頻率，驅動交流異步電動機。步電動機。 n異步電動機的變頻調速對機械特性的影響：異步電動機的變頻調速對機械特性的影響：19變頻調速技術變頻調速技術n可控整流調壓可控整流調壓-逆變調頻調速逆變調頻調速 優點是控制方法方便，調節性能比較好，缺點是可控優點是控制方法方便，調節性能比較好，缺點是可控整流器的功率因數低，而且產生的高次諧波成分多，整流器的功率因數低，而且產生的高次諧波成分多，對電網造成諧波污染。對電網造成諧波污染。 n不可控整流

17、不可控整流斬波調壓斬波調壓逆變調頻調速逆變調頻調速 設備的功率因數高，調速范圍寬，但輸入電流中的高設備的功率因數高，調速范圍寬，但輸入電流中的高次諧波成分仍很多。次諧波成分仍很多。 n交流交流交流直接變頻調速交流直接變頻調速 脈寬調制變頻調速能同時完成調壓和調頻，電網功率脈寬調制變頻調速能同時完成調壓和調頻，電網功率因數高，調速范圍寬，從電網輸入的工作電流中的高因數高，調速范圍寬，從電網輸入的工作電流中的高次諧波成分少。次諧波成分少。 20通用變頻器通用變頻器n600kVA以下的中小容量一般用途變頻器已經實以下的中小容量一般用途變頻器已經實現了通用化。通用變頻器可以用于驅動普通異步現了通用化。

18、通用變頻器可以用于驅動普通異步電動機，還提供多種控制和保護功能。電動機，還提供多種控制和保護功能。 21兩相異步執行電動機的電壓控制兩相異步執行電動機的電壓控制 n兩相異步執行電動機的原理圖兩相異步執行電動機的原理圖n其機械特性圖其機械特性圖 22兩相異步執行電動機的電壓控制兩相異步執行電動機的電壓控制n穩態時，用直線方程表示兩相異步電動機執行的穩態時，用直線方程表示兩相異步電動機執行的轉矩轉矩-轉速關系：轉速關系：T= -Kn+KcU1 式中，式中，Kn和和Kc是正的常數是正的常數 n轉子的力矩平衡方程轉子的力矩平衡方程 n兩相異步執行電動機電壓控制的調節特性圖兩相異步執行電動機電壓控制的調

19、節特性圖22d dTJkdtdt234.3步進電動機步進電動機n步進電動機是一種步進電動機是一種無刷的同步直流電機無刷的同步直流電機，也是一，也是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的電磁機械種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的電磁機械裝置裝置 。n步進電動機具有以下特點：步進電動機具有以下特點：1運行轉速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴格的對應運行轉速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴格的對應關系，且在負載能力范圍內不受電壓波動、電流波形關系，且在負載能力范圍內不受電壓波動、電流波形及環境溫度變化的影響。及環境溫度變化的影響。2位移量取決于輸入脈沖數，步距誤差不會長期積累。位移量取決于輸入脈沖數，步距誤差

20、不會長期積累。在不失步的情況下，每轉一周積累誤差等于零。在不失步的情況下，每轉一周積累誤差等于零。3在脈沖數字信號控制下，具有靈活的控制性能，能在脈沖數字信號控制下，具有靈活的控制性能，能方便地實現起動、加速、減速、停止、反轉、定位等方便地實現起動、加速、減速、停止、反轉、定位等運行方式。運行方式。 24步進電動機工作原理步進電動機工作原理n步進電動機定子線圈依次通電，每次帶齒的轉子步進電動機定子線圈依次通電，每次帶齒的轉子在電磁力作用下，保持齒與定子通電的磁極對正，在電磁力作用下，保持齒與定子通電的磁極對正，只轉過一個固定的角度。只轉過一個固定的角度。n步進電動機由于輸入脈沖和轉動角度具有嚴

21、格的步進電動機由于輸入脈沖和轉動角度具有嚴格的線性對應關系，因此常被用作開環位置線性對應關系，因此常被用作開環位置/速度控制速度控制系統的執行器。系統的執行器。25步進電動機的參數與特性步進電動機的參數與特性1n步距角：步距角：大致有大致有0.36、0.75、0.9、1.5、2.25、3.0、7.5等等 n失調角：失調角：是指步進電動機未加直流電前，轉子靜止時轉是指步進電動機未加直流電前，轉子靜止時轉子中心線與偏離定子中心線的夾角子中心線與偏離定子中心線的夾角 。n靜轉矩：靜轉矩：是指在步進電動機轉子靜止時，給電動機繞組是指在步進電動機轉子靜止時，給電動機繞組通以直流電，由失調角的存在而產生的

22、電磁轉矩通以直流電，由失調角的存在而產生的電磁轉矩 n矩角特性矩角特性 ：指步進電動機的靜轉矩指步進電動機的靜轉矩Tj與失調角與失調角的關系的關系特性曲線特性曲線 。26步進電動機的參數與特性步進電動機的參數與特性2n最大靜轉矩最大靜轉矩 ：每相繞組通以額定相電流時，矩角特性曲每相繞組通以額定相電流時，矩角特性曲線上轉矩所能達到的最大值線上轉矩所能達到的最大值 Tjmax 。n運行頻率運行頻率 ：步進電動機起動以后，隨著控制脈沖頻率不步進電動機起動以后，隨著控制脈沖頻率不斷上升，能不失步運行的最高頻率稱為運行頻率斷上升，能不失步運行的最高頻率稱為運行頻率fyn步進電動機制造廠家在所給的技術數據

23、中一般沒有電動步進電動機制造廠家在所給的技術數據中一般沒有電動機額定功率這一指標，而用最大靜轉矩來衡量步進電動機額定功率這一指標，而用最大靜轉矩來衡量步進電動機的容量。機的容量。 p= Tjmax n矩頻特性矩頻特性 ：27步進電動機的控制系統及功率驅動電源步進電動機的控制系統及功率驅動電源 n對步進電動機的運行控制，如起動、停止、升速、降速、對步進電動機的運行控制，如起動、停止、升速、降速、正轉、反轉、定位等，要由步進電動機控制系統來實現。正轉、反轉、定位等，要由步進電動機控制系統來實現。控制部分通常由可編程邏輯電路或處理器組成。脈沖發生控制部分通常由可編程邏輯電路或處理器組成。脈沖發生器、

24、脈沖分配器等單元也歸入控制部分。器、脈沖分配器等單元也歸入控制部分。 n步進電動機的運行還需要靠功率驅動電源驅動，功率驅動步進電動機的運行還需要靠功率驅動電源驅動，功率驅動電源可按使用的電力電子元件類型，或按驅動控制方式分電源可按使用的電力電子元件類型，或按驅動控制方式分許多種類。功率驅動電源由前置放大器、功率放大器等組許多種類。功率驅動電源由前置放大器、功率放大器等組成。主要根據步進電動機的功率大小、相數多少、頻率高成。主要根據步進電動機的功率大小、相數多少、頻率高低等技術指標設計驅動電源。低等技術指標設計驅動電源。 28步進電動機的選用原則步進電動機的選用原則 n輸出轉矩的選擇輸出轉矩的選

25、擇 一般可根據最大靜轉矩和實際所需電動機工作頻率范一般可根據最大靜轉矩和實際所需電動機工作頻率范圍大致估算電動機的輸出轉矩。圍大致估算電動機的輸出轉矩。 大致可選擇電動機輸出轉矩為最大靜轉矩大致可選擇電動機輸出轉矩為最大靜轉矩Tjmax的的20%30%。 n步距角的選擇步距角的選擇 擇時應根據系統的控制精度要求和運行速度要求來選擇時應根據系統的控制精度要求和運行速度要求來選擇合適的步距角。擇合適的步距角。n起動頻率與運行頻率的選擇起動頻率與運行頻率的選擇 在選擇步進電機時，應事先估算出帶上負載后的步進在選擇步進電機時，應事先估算出帶上負載后的步進電動機的起動頻率與運行頻率。電動機的起動頻率與運

26、行頻率。 294.4直線電動機直線電動機n設想把旋轉電動機自轉設想把旋轉電動機自轉子軸至定子外圓周沿徑子軸至定子外圓周沿徑向向AA剖開，轉子和剖開，轉子和定子都展成直條狀，就定子都展成直條狀，就成了直線電動機。成了直線電動機。 按機械特性可分為按機械特性可分為 :推力型電動機推力型電動機 沖量型電動機沖量型電動機 功率型電動機功率型電動機 30直線電動機應用直線電動機應用n直線電機可替代的運動形式直線電機可替代的運動形式31直線電動機的分類直線電動機的分類n按機械特性可分為按機械特性可分為1) 推力型電動機：也稱力電動機。這類作往復運動的推力型電動機：也稱力電動機。這類作往復運動的直線電動機要

27、求起動推力很大。直線電動機要求起動推力很大。 2）沖量型電動機：也稱能電動機。這類電動機的瞬時）沖量型電動機：也稱能電動機。這類電動機的瞬時功率很大功率很大 3）功率型電動機：也稱功電動機。長距離或長時連續）功率型電動機：也稱功電動機。長距離或長時連續運行，要求功率因數高，主要用于以一定的速度拖動運行，要求功率因數高，主要用于以一定的速度拖動負載負載 n直線電動機的結構有平面型和管型兩類，平面型直線電動機的結構有平面型和管型兩類，平面型又分為單邊型和雙邊型兩種，管型有圓管型和方又分為單邊型和雙邊型兩種，管型有圓管型和方型兩種。型兩種。 32直線電動機的特點直線電動機的特點n優點：優點：1.可直

28、接產生直線運動，不需要運動轉換，使機構簡化，便于可直接產生直線運動，不需要運動轉換，使機構簡化，便于控制，系統可靠性提高。控制，系統可靠性提高。2.瞬時線速度很高時，零部件不受離心力的作用。瞬時線速度很高時，零部件不受離心力的作用。3.定子和動子之間的電磁推力可消除運行中的機械接觸，因而定子和動子之間的電磁推力可消除運行中的機械接觸，因而機械功率損耗和磨損可減到很小。機械功率損耗和磨損可減到很小。4.由于無機械接觸，噪聲較小。由于無機械接觸，噪聲較小。5.平面型直線電動機容易散熱，容量大的直線電動機常不需要平面型直線電動機容易散熱，容量大的直線電動機常不需要附加冷卻裝置。附加冷卻裝置。n缺點：

29、缺點：1.有所謂邊端效應，因為磁路開斷，銅損和漏抗壓降大。有所謂邊端效應，因為磁路開斷，銅損和漏抗壓降大。 2.因為氣隙大，功率因數比同樣容量的旋轉電動機低。因為氣隙大，功率因數比同樣容量的旋轉電動機低。 334.5電力電子器件電力電子器件n機電系統中，各種電氣執行元件都需要一定的功機電系統中，各種電氣執行元件都需要一定的功率器件來驅動或供電，這些器件統稱為電力電子率器件來驅動或供電，這些器件統稱為電力電子器件。變流器是實現電能的交器件。變流器是實現電能的交直、直直、直直、直、交交交、交交、交直直交變換的裝置，它們被用來驅交變換的裝置，它們被用來驅動電氣執行元件。各種變流器的核心是電力電子動電氣執行元件。各種變流器的核心是電力電子器件。器件。 34電力電子器件電力電子器件n概念：可直接用于處理電能的主電路中，實現電概念：可直接用于處理電能的主電路中，實現電能變換或控制的電子器件。能變換或控制的電子器件。n在機電系統中的作用在機電系統中的作用: 對各種執行元件進行驅動對各種執行元件進行驅動和供電（實現電能多種交、直形式等級的變換）和供電（實現電能多種交、直形式等級的變換