机械电子学-第8章-交流电动机的驱动与控制.pptx

机械电子学Mechatronics,第8章 交流电动机的驱动与控制,,,交流电动机感性认识,交流电动机的分类,交流电动机,旋转磁场与转子之间存在转速差，把这种电动机称为异步电动机，又称为感应电动机 其结构简单、便宜，是应用最多的一种电动机 异步电动机的结构,异步电动机,异步电动机的结构,鼠笼型异步电动机,绕线型异步电动机,单相异步电动机,结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电） 转子一般用鼠笼式单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等单相异步电动机,,,N,S,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩在电流正半周,转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动电容分相式起动,单相异步电动机的起动,电容分相式起动,单相异步电动机的起动,启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动工作原理,三相异步电动机,三相异步电动机由静止的定子和转子两大部分组成。

定子与转子之间有一很小的气隙转子,外壳,定子绕组,三相异步电动机,,铁心：由内周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成磁路的一部分,机座：铸铁或钢板焊接,,支撑铁心和固定电机,硅钢片,装有三相绕组的定子,1、定子,三相异步电动机,定子绕组的线连接方式,在三相电机的接线盒中有六个端子: D1、D2、D3、D4、D5、D6 首端:D1，D2，D3 末端:D4，D5，D6,对于电动机有星形（Y）和三角形接法（）,2、转子,,转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流，产生旋转力矩转轴 转子铁心 转子绕组,,0.5mm的硅钢片叠压,,,鼠笼型转子,鼠笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型鼠笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、端环一次浇铸出来如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名鼠笼型绕组鼠笼型转子线槽一般都是斜槽，目的是改善起动与调速性能绕线式转子,绕线式转子绕组是嵌于转子铁心槽内的三组相对称绕小容量接成三角形，中大容量接成星形3.气隙：异步电动机的气隙一般为0.22.5mm。

工作原理,三相交流电源接通三相定子绕组,定子绕组产生三相对称电流,三相对称电流在电机内部建立旋转磁场,旋转磁场与转子绕组产生相对运动 ( 切割 ),转子绕组中产生感应电流,感应电流转子绕组(感应电流)在磁场中受到电磁力的作用,在电磁力作用下，转子逆时针方向开始旋转，转速为n 三相对称电流,旋转磁场,感应电流,三相异步电动机,电磁学中，右手定则判断的主要是与力无关的方向如果是和力有关的则全依靠左手定则即，关于力的用左手，其他的（一般用于判断感应电流方向）用右手定则记忆口诀：左通力右生电右手定则）,（左手定则）,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,,,闭合导线产生电流,通电导线在磁场中受力,,三相异步电动机,工作原理:,基于定子线圈能够产生一个旋转磁场，假设有一个旋转磁场来分析，如图中N、S的磁场以n0旋转,三相异步电动机,转子则切割磁力线而产生电流（右手定电流I方向） 电流在磁场中切割磁力线而产生力及力矩（左手定方向） 它与n0方向相同,使转子转动起来 在转子转动中，n比n0小,工作原理:,由此可知，异步电动机是通过载流的转子绕组在磁场中受力而使电动机旋转的，而转子绕组中的电流由电磁感应产生，并非外部输入，故异步电动机又称感应电动机。

1. 线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致,异步,2. 线圈比磁场转得慢,三相异步电动机的工作原理,欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义三相异步电动机的工作原理,,旋转磁场的产生,旋转磁场的产生,定子对称三相绕组 通入三相对称电流,,,规定,()电流出,()电流入,三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；,,,三相电流合成磁场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,,合成磁场旋转90,,o,,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,1、旋转磁场的旋转方向,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转任意调换两根电源进线,磁场旋转方向：取决于三相电流的相序改变电机的旋转方向：改变定子三相电流的相序异步电动机的旋转方向,转子转动方向和旋转磁场的旋转方向一致若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场2、旋转磁场的极对数P,极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,3、旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,,,,,,p=2时,,,旋转磁场转速n1与极对数 p 的关系,转差率,,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。

异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率三相异步电动机,三相异步电动机的单相运行,三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行此时和单相电机一样， 电机仍会按原来方向运转但若负载不变，三相供 电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热使 用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障主要内容,概述 异步电动机调压调速控制电路 异步电动机变频调速器,（1）概述,交流电动机控制系统的发展和现状 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 应用矢量控制技术及现代控制理论 广泛应用计算机技术 开发新型电动机和无速度传感器技术 交流电动机调速系统的类型 同步电动机控制系统 异步电动机控制系统 高精度交流电动机运动控制,概述,交流电动机调速系统的类型 同步电动机控制系统 无换向器电动机控制系统 交交变频供电同步电动机控制系统 正弦波永磁同步电动机控制系统 方波永磁同步电动机控制系统,概述,交流电动机调速系统的类型 异步电动机控制系统 坐标变换矢量控制系统 转差频率矢量控制系统 直接和间接转矩控制系统,概述,交流电动机调速系统的类型 高精度交流电动机运动控制 滑模变结构控制 最优位置控制系统 速度及位置传感器 开关磁阻电动机控制系统,（2）异步电动机调压调速控制电路,异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速。

定子调压调速的方法特别适合于通风机及泵类等机械 单相交流调压电路,异步电动机调压调速控制电路,单相交流调压电路,异步电动机调压调速控制电路,单相交流调压电路,,交流调压调速闭环控制电路,异步电动机调压调速控制电路,15V交流信号（a） 经全波整流桥后（b） LM393比较器1脚不接电容（c） LM393比较器1脚接电容（d）,异步电动机调压调速控制电路,测速发电机调压调速反馈控制系统,（3）异步电动机变频（调速）器,变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速 在调速过程中，从高速到低速都可保持有限的转差功率，因此，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能 分为两大类： 交-直-交变频调速（带直流环节的间接变频调速） 交-交变频调速（直接变频调速）,异步电动机变频（调速）器,交流异步电动机变频调速原理 = 60 (1) 影响电动机转速的因素 电动机的磁极对数 转差率S 电源频率f,异步电动机变频调速器,交-直-交变频调速主电路（控制电路）,三相整流桥,三相逆变桥,交直电路,直交电路,缓种电路,异步电动机变频调速器,三相逆变桥的工作原理,异步电动机变频调速器,三相逆变桥的工作原理,逆变输出线电压波形,,正弦脉宽调制,电动机发热、力矩下降、 振动噪声等,,异步电动机变频调速器,变频与变压 问题的提出 机械特性下降 解决方案设法维持磁通量恒定不变 变频的同时也要变压，这就是所谓VVVF Variable Voltage Variable Frequency,异步电动机变频调速器,变频与变压的实现SPWM调制波,异步电动机变频调速器,变频与变压的实现SPWM调制波,异步电动机变频调速器,变频与变压的实现SPWM调制波,异步电动机变频调速器,变频与变压的实现SPWM调制波,异步电动机变频调速器,变频与变压的实现SPWM调制波,异步电动机变频调速器,变频与变压 载波频率的选择,异步电动机变频调速器,变频与变压 载波与调制波的频率调整 同步控制方式 异步控制方式 分段同步控制方式,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA828芯片 全数字控制 兼容单片机 输出调制波频率范围0-4kHz 16位调速分辨率 载波频率最高可达24kHz 内部ROM固化三种可选波形 可选最小脉宽和延迟时间 可单独调整各相输出以适应不平衡负载 看门狗定时器,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片 编程 初始化编程 控制寄存器编程,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片 编程 初始化编程 载波频率设定 调制波频率范围设定 脉冲延迟时间设定 最小删除脉宽设定 调制波形选择 幅值控制 看门狗时间常数设定,异步电动机变频调速器,SPWM波形器SA4828芯片 编程 控制寄存器编程 调制波频率选择 调制波幅值选择 正反转选择 输出禁止位控制 计数器复位控制 看门狗选择 软复位选择,本章小结,理解电动机的分类、结构及工作原理 了解异步电动机的调速电路及相关芯片,。