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第3章电动机转矩转速控制解读

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  第3章 电动机转矩转速控制 电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。 其中,固定磁阻电动机主要包括 ? 直流电动机 ? 无刷直流电动机(BLDCM) ? 永磁同步电动机(SPMM) ? 交流感应电动机。 在历史上,最先应用于变速传动的是直流电动机。 近年来,交流电动机(包括无刷直流电动机)在许多领 域已经并且正在取代直流电动机用作变速传动。交流 感应电动机结构简单,在工业领域中经常应用于常速 传动。交流感应电动机已应用于变速传动,例如,变 频调速。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 1 3. 1 旋转电动机基本原理 在机械运动控制中,多数采用伺服电动机作为执行器,把电能 经过耦合磁场转换为机械能。电动机的能量转换关系如图所示。 能量转换的关键在于耦合磁场及其对电系统和机械系统的作用与 反作用。耦合磁场对电系统的反作用(作用)表现在感应电动势上。 而对机械系统的作用(反作用)表现在电磁转矩Tem上。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 2 3.1. 1 电磁转矩与感应电动势 k表示与第k个导体回路交链的磁链,ik表示第k个导体回路中流过的 电流,Wm’表示磁场同等能量,则作用于转子的电磁转矩为 同时,引用著名的电磁感应定律(楞次定律):一个封闭回路内的感应 电动势等于与该回路交链的磁链的时间变化率,即ej=dj/dt。对于n个 多电磁回路,可进一步表示为 等式右边第一项称为回路电感电动势;第二项称为切割电动 势(亦称为反电动势)。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 3 3 . 1. 2 固定磁阻电动机的磁路 磁阻为常量。为了产生 电磁转矩,电动机至少 有两个电磁回路,它们 之间的互磁链应随转子 转角θ变化。固定磁阻 电动机的基本原理如图 所示。 固定磁阻电动机 根据结构和供电方式不同,固定磁阻电动机分为直流电动机、永磁 同步电动机以及交流感应电动机等。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 4 3 . 1. 3 这类电动机的特点是磁 路磁阻随转子转角变化 而改变。若激磁磁势不 变,则转角变化时,磁 链随着变化,从而产生 电磁转矩。变磁阻电动 机的基本工作原理如图 所示 变磁阻电动机 根据结构和供电方式的不同,变磁阻电动机分为步进电动机、 开关和变磁阻电动机。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 5 3.1.4 电动机的一般数学模型 电压平衡方程:任一回路的外加电压等于回路电阻上的压降与感应电 动势之和。 其中,n为电动机内的电磁回路数。右边第一项为回路电阻上的压降, 第二项为回路电感(包括自感和互感)上的压降,第三项为电动机的反电 动势。 转矩平衡方程:电磁转矩减去负载阻转矩后的剩余转矩用于加速电动机轴 上的惯性负载。 式中,J 为电动机转子轴上的转动惯量;TL为电动机轴上的负载阻转 矩;Tm为电动机的电磁转矩. 2018/11/17 Tianjin University of Technology 6 3. 2 直流电动机原理与特性 直流电动机具有良好的控制性能、较 大的启动转矩,还具有相对功率大和响 应速度快等优点。尽管相对交流电动机 而言,直流电动机结构复杂、价格较高, 但仍然是目前机电控制系统中应用最广 泛的一类电动机。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 7 3 . 2. 1 工作原理 直流电动机的结构和基本工作原理模型如图所示, 主要组成包括三部分:定子磁极,电枢,电刷. 2018/11/17 Tianjin University of Technology 8 直流电机的电磁转矩 直流电动机的电磁转矩可表示为 式中:KI——直流电动机电磁转矩系数,N· m/A, 仅 与电动机本身的结构参数有关; ia——电枢电流,A。 由式可见,当励磁恒定不变时,直流电动机的电磁 转矩与电枢电流成正比。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 9 直流电机的转矩平衡方程 当直流电动机拖动负载时,电磁转矩既要克服由于负载的机 械摩擦及阻尼带来的负载阻转矩,又要克服由于电动机中的机械 摩擦、电枢中的磁滞与涡流等产生的电动机阻转矩,还要使惯性 负载产生加速度,其转矩平衡方程式为 式中: Tem——电动机电磁转矩,N· m; Td——作用于电动机轴上的阻转矩,包括电动机阻转矩和负载阻转 矩,N· m; J——电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量,kg· m 2; ω——电动机转动角速度,fad/s。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 10 直流电机的电压平衡方程 直流电动机电枢反电动势Ea可以认为与转速成正比,即 式中:Ke——电动机反电动势系数,V· s/rad,仅与电动机本身的结构参数有关; d? ? ?? n ? 60 ? —— 电动机转动角速度, rad / s ,常用转速符号 dt 2? ,r/min。 对于同一台直流电动机,它们的数值相等,即Ke=Kt,因此,直流电动机的电压平衡 方程式为 Ea ? Ke? 式中:ua——电枢电压,V;ia——电枢电流,A;Ra——电枢电阻,Ω;La——电枢 电感,H。 2018/11/17 Tianjin University of Technology 11 小提一例-----伺服电动机 普通的直流电动机一般作为动力部件,着重于对 启动和运行状态动能指标的要求;而在机电控制系统 中作为伺服元件时,则着重于特性的高精度和快速响 应。后一类直流

时间:2020-03-26 01:36