电机控制技术与应用--专题.ppt

1、电机控制技术与应用钱祥忠 钱祥忠钱祥忠，教授，工学博士，硕士生导师,温州大学电气传动与智能控制研究所所长,计算机应用硕士点(二级)负责人,电气工程及其自动化专业负责人；1991年7月毕业于河北工业大学研究生部，获理学硕士学位；2003年6月毕业于电子科技大学，获工学博士学位；2010年9月-2011年2月，华中科技大学电气工程学院电气工程及其自动化专业访问学者。主要内容常用电机简介常用电机简介电机控制技术电机控制技术常用主要电机常用主要电机：v 直流电机直流电机v 交流异步电动机交流异步电动机v 永磁同步电动机永磁同步电动机v 控制电机控制电机交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼

2、式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励电动机：电能转换成机械能电动机：电能转换成机械能发电机：其他形式的能量转换成电能发电机：其他形式的能量转换成电能电动机的作用电动机的作用电电机机电电动动机机 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置能和机械能相互转换的电磁装置。将直流电能转换成机械能的电机称为直流电将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机动机；反之，则称为直流发电机反之，则称为直流发电机。一、直流一、直流电动机电动机3 直流电机结构图端盖磁轭主磁极励磁绕组电枢绕组 电枢铁心换向器电刷装

3、置轴端盖轴承风扇换向极绕组换向磁极5 直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。电动机工作原理AUXNiaSiaffTemXUANiaSiaffTem线圈边中电流不改变方向，则平均 Tem=0。11N aB1 AB2换向片电刷UiaX SfTemf UXB1B2iaA SffTem电刷和换向片的作用是什么？线圈边切割磁力线会产生什么？12eNaiaeaeiaea14直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载旋转克服反电动势做功电动机的电磁关系外加电源电刷和换向器电枢绕组内部气隙磁场转子eaNeaSB1AXB2EaXANST1B1B2eaeaT1Ea电刷和换向片的作用是

4、什么？载流导体在磁场中会产生什么？15ffff直流发电机二、二、三相异步电动机三相异步电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式转子转子定子（固定部分）定子（固定部分）转子（旋转部分）转子（旋转部分）分为两个基本部分分为两个基本部分：定子定子作作用：用：产生旋转磁场产生旋转磁场 转子作转子作用用：在旋转磁场作用下，产生：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。感应电动势或电流。机座机座定子绕组定子绕组铭牌数据铭牌数据出线端子出线端子按转子结构分按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。右图是一台三相鼠笼型异步电

5、右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。动机的外形图。鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图返回三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n（一）转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割转旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，

6、电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。（二）转差率 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时，电机理想空载时电机理想空载时，作为电动机，转速在作为电动机，转速在范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电

7、机的转速为：速为：额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.060.010.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接近同步速。近同步速。同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s s表示，表示，即：即：（三）异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速外力使电机快速旋转旋转外力使电

8、机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V2 1.线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致两者转动方向一致异步异步 2.线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢2.旋转磁场的转向旋转磁场的转向

9、 当当通入定子绕组的三相电流的相序为通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-CA-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。取决于三相电流的相序。取决于三相电流的相序。改变电机旋转方向的方法：换接其中两相改变电机旋转方向的方法：换接其中两相3.3.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但但 异步电动机异步电动机无转距无转距转子与旋转磁场间没有相对运

10、动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果2.2 2.2 电动机的转动原理电动机的转动原理 在电动机定子绕组中通入三相对称交流电在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场流后，产生旋转磁场。旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。就感应出电动势。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，

11、转子就转动磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。起来。三、同步电机三、同步电机种类：原理运行状态运行状态返回1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现

12、场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机四、控制电机1 伺服电动机伺服电动机2 步进电动机步进电动机3 直线电动机直线电动机（一）伺服电动机与普通小型直流电动机相同；与普通小型直流电动机相同；SM+Ua IaE电磁式电磁式If+Uf SM+Ua IaE永磁式永磁式伺伺服服电电动动机机（执执行行电电动动机机），它它将将输输入入的的电电压压信信号号转转变变为为转转轴轴的的角角位位移移或或角角速速度度输输出出，改改变变输输入入信信号号的的大大小小和和极极性性可可以以改改变变伺伺服服电电动动机机的的转转速速与与转转向向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。

13、交流伺服电动机 工作原理当两相绕组分别加上相位相差当两相绕组分别加上相位相差 90o 的额定电压时：的额定电压时：对称两相运行对称两相运行 ic 和和 if 产生产生 圆形旋转磁场圆形旋转磁场产生产生 T 转子旋转。转子旋转。如果如果 uc 反相，即改变反相，即改变 ic 和和 if 的相序的相序旋转磁场改变方向旋转磁场改变方向 n 的方向改变。的方向改变。同时减小同时减小 uc 和和 uf 而保持其而保持其 90o 的相位差的相位差圆形磁通势圆形磁通势 的幅值的幅值 T n 。SM 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 Uc Uf cfIcIf（二）步进电动机 基本结构14 23定子定子、转子

14、转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动三相磁阻式步进电动机原理图机原理图 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2U1W2W1V1V2（三）直线电动机直线电动机也称线性电机，是一种能够直接产生直线运动也称线性电机，是一种能够直接产生直线运动的电气装置，可分为直流直线电动机和交流的电气装置，可分为直流直线电动机和交流直线电动机。直线电动机。直线电动机是旋转电机的另一种结构形式。旋直线电动机是旋转电机的另一种结构形式。旋转电机电枢是环行的，如果沿着径向切开，转电机电枢是环行的，如果沿着径向切开，然后拉开展平，就构成了一台直线电动机。然后拉开展平，就构成了一台直线电动机。工作原理：工作

15、原理：在旋转电机中，电枢绕组接电源，产生电枢在旋转电机中，电枢绕组接电源，产生电枢电流，带电导体在磁场中会受到一个切向的安电流，带电导体在磁场中会受到一个切向的安培力的作用，大小相等，方向相反，从而产生培力的作用，大小相等，方向相反，从而产生电磁转矩使电机转动起来。电磁转矩使电机转动起来。而在直线电机中，原先上下大小相等，方向而在直线电机中，原先上下大小相等，方向相反的两个力，现在变成了大小相等，方向相相反的两个力，现在变成了大小相等，方向相同的水平磁拉力，从而使电枢产生直线运动同的水平磁拉力，从而使电枢产生直线运动直线电动机的应用：直线电动机的应用：高速磁悬浮列车，是直线电机实际应用的最高速

16、磁悬浮列车，是直线电机实际应用的最典型的例子典型的例子；高档数控机床高档数控机床；直线电机驱动的电梯：由于直线电机驱动的直线电机驱动的电梯：由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组。建筑物的高度增至电梯没有曳引机组。建筑物的高度增至10001000米米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动，线圈装在井用高温超导技术的直线电机驱动，线圈装在井道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬道中，轿厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制浮列车一样，采用无线电波或光控技术控制。二、电机的控制技术二、电机的控制技术变压变频调速系统变压变频调速系统 逆变的概念逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载.逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组