工業(yè)機(jī)器人機(jī)械裝調(diào)與機(jī)械控制 課件 ch03 電力的輸配-變壓器-改

第三章工業(yè)機(jī)器人電力系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用系列職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)器人工業(yè)裝調(diào)與電氣控制03電力的輸配——變壓器PARTTHREE我國大部分工業(yè)現(xiàn)場供電為380v交流電，而我們使用的3kg機(jī)器人的主供電要求為220v交流電。為適應(yīng)真正工業(yè)現(xiàn)場的供電系統(tǒng)和環(huán)境，就需要將電壓控制到我們需要的參數(shù)。變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，它是電力輸配系統(tǒng)的核心裝置，同時(shí)也是電氣控制系統(tǒng)中不可缺少的元器件。下面，我們結(jié)合3kg可拆裝機(jī)器人電力系統(tǒng)介紹單相變壓器的工作原理和功能。3.1電力的輸配——變壓器變壓器是一種靜止的裝置，它是依靠磁耦合的作用，將一種等級的電壓與電流轉(zhuǎn)換成另一種等級的電壓與電流，起著傳遞電能的作用。下面以單項(xiàng)雙繞組變壓器為例分析其工作原理。在一個(gè)閉合的鐵芯上纏繞兩個(gè)繞組，其匝數(shù)既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。兩個(gè)繞組之間有磁的耦合，而沒有電的關(guān)系。壓器的工作原理

（二）變壓器的應(yīng)用與分類作為電能傳輸或信號傳輸?shù)难b置，變壓器在電力系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在國民經(jīng)濟(jì)的其他部門，作為特種電源或?yàn)闈M足特殊的需求，變壓器也發(fā)揮著重要的作用。它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達(dá)到數(shù)十萬伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達(dá)幾十萬伏。如果按變壓器的用途來分類，其中應(yīng)用最廣泛的變壓器為電力變壓器、儀用互感變壓器和其他特殊用途的變壓器；如果按相數(shù)可以分為電箱和三相變壓器。不管如何分類，其工作原理及性能都是一樣的。（三）變壓器的額定值（銘牌數(shù)據(jù)）按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)志在銘牌上的、代表變壓器在規(guī)定使用環(huán)境和運(yùn)行條件下的主要技術(shù)參數(shù)，稱為變壓器的額定值（或稱為銘牌數(shù)據(jù)），主要有：（1)額定容量變壓器在正常運(yùn)行時(shí)的視在功率，通常以SN來表示，單位為伏安（v?A)或千伏安(KV·A)O對于一般的變壓器，原、副邊的額定容量都設(shè)計(jì)成相等。

（一）什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力"功率可大到數(shù)百M(fèi)W，甚至GW,也可以小到數(shù)w，甚至1W以下。和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)主要用于電力變換。（二）電力電子技術(shù)的應(yīng)用通常所用的電力有交流和直流兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流的。從蓄電池和干電池得到的電力是直流的。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，需要進(jìn)行電力變換。3.2力的變換——電力電子技術(shù)（三）整流電路整流電路(rectifyingcircuit)是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過程。整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓己經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓。下面，我們對單相可控整流電路的工作原理、相關(guān)計(jì)算進(jìn)行介紹。

（四）斬波電路直流斬波電路(CChopper)的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流一直流變換器(DC/DCConverter)。直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流．交流．直流的情況；直流斬波電路的種類很多，降壓斬波電路、升壓斬波電路是兩種最基本電路。1．降玨斬波電路降壓斬波電路的原理圖及工作波形EVD．

3、整流與斬波的應(yīng)用在3kg機(jī)器人控制柜中，以交流220v(AC220V)的電源作為主電源，為電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器提供電力，而機(jī)器人的控制系統(tǒng)則是以直流24v(DC24V)和直流sv(DC5V)電源作為控制電力。如果采用獨(dú)立電源為系統(tǒng)各部分單獨(dú)供電，就需要交流電源、24V蓄電池、5V蓄電池。交流220v電源相對普遍，而DC24V和DC5V電就需要蓄電池供電，不僅占用控制柜空間，還需解決充電和衰減的問題，顯然是不合理的。經(jīng)過上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們就有了新的思路來解決這個(gè)問題。如圖所示為3kg機(jī)器人控制柜電力轉(zhuǎn)換關(guān)系。首先選用最為普遍的交流220v(AC220V)電源作為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力電源，原因很簡單，電源獲取方便。下面的問題便是如何將交流220v（AC220V）轉(zhuǎn)換為直流24v(Dcmv),為控制系統(tǒng)提供電力，那就要利用“整流"技術(shù)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。在控制系統(tǒng)中，有些特殊的元器件需要直流5V(DC5V)作為動(dòng)力和控制信號。那么，我們將經(jīng)過整流電路得到的直流24v(DC24V)電源經(jīng)過“降壓斬波"便能得到直流sv(DC5V)電源。在實(shí)際應(yīng)用中，我們不需要自己設(shè)計(jì)整流電路和斬波電路，一般采用集成應(yīng)用的方式，選擇技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定的開關(guān)電源。按照輸入、輸出端口的定義，正確選型和接線，便能將單一電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到我們所需要的電源了。下面就對兩款開關(guān)電源進(jìn)行介紹。（1）交直流轉(zhuǎn)換(AC-DC)開關(guān)電源品牌：明緯。型號：MDR一100．24參數(shù)：見表這是一個(gè)寬伏交流轉(zhuǎn)直流24v(DC24V)的開關(guān)電源。輸入電壓為ACIOOV、AC240V，輸出為直流24v(DC24V),功率為100w。以交流220V(AC220V)為例，當(dāng)輸入端接通電源后，開關(guān)電源工作，此時(shí)輸出端的電壓為直流24v(DC24V),可為需要直流24v(DC24V)的電器進(jìn)行供電。注意：不要將輸入電壓（交流電源端）接在開關(guān)電源輸出端（直流輸出端）。（2）直流降壓(DC-DC)開關(guān)電源品牌：HU%HONGPOWERTECI-BIOLOGY型號：HZD50H．24S05。參數(shù)：見表這是一個(gè)直流降壓(DC-DC)開關(guān)電源，輸入電壓為DC18V—DC36V,輸出為直流sv(DC5V),最大輸出電流為10．OA。以直流24v(DC24V)為例，當(dāng)輸入端接通電源后，開關(guān)電源工作，此時(shí)輸出端的電壓為直流5V(DC5V),可為需要直流5V(DC5V)的電器供電。注意：電正負(fù)極，更不要將輸入電壓（高電壓端）接在輸出端。在電能的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量（或信號）傳遞與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。（一）電動(dòng)機(jī)通常所說的電機(jī)，是指那些利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)制造而成的，用于實(shí)現(xiàn)能量（或信號）傳遞與變換的電磁機(jī)械的統(tǒng)稱。比如把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)、把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)、將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)變的變壓器以及應(yīng)用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制元件稱為控制電機(jī)等。對于3kg機(jī)器人來說，很顯然，需要將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)行，完成各種動(dòng)作和任務(wù)。根據(jù)上文的介紹，我們知道將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)有電動(dòng)機(jī)和控制電機(jī)。電動(dòng)機(jī)(Motor)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動(dòng)機(jī)按使用電源不同分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)大部分是交流電機(jī)，可以是同步電機(jī)或者是異步電機(jī)。電力的轉(zhuǎn)化——電機(jī)電動(dòng)機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運(yùn)動(dòng)的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關(guān)。電動(dòng)機(jī)工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。普通動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，主要要求是提高電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，以及啟動(dòng)、調(diào)速等性能?？墒菍τ跈C(jī)器人來說，普通電動(dòng)機(jī)的精度低，無法達(dá)到機(jī)器人的要求，所以一般不使用電動(dòng)機(jī)作為各軸的動(dòng)力部件。（二）控制電機(jī)控制電機(jī)主要應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來實(shí)現(xiàn)信號的檢測、轉(zhuǎn)換和傳遞，作為測量、執(zhí)行和校正等原件使用?？刂齐姍C(jī)的功率一般從數(shù)亳瓦到數(shù)百瓦。與普通動(dòng)力電動(dòng)機(jī)不同，控制電機(jī)主要任務(wù)是完成控制信號的檢測、變換和傳遞，因此，對控制電動(dòng)機(jī)的主要要求是快速響應(yīng)、高精度、高靈敏度及高可靠性，而這些性能正是機(jī)器人所需要的。伺服電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人最主要的電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，它把接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械角位移，具有服從控制信號的要求而動(dòng)作的功能。在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子立即停止。該種電動(dòng)機(jī)正是由于這種“伺服"的性能而在3kg機(jī)器人中，使用交流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。下面就介紹交流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)一般是兩相交流異步電動(dòng)機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。它的轉(zhuǎn)子電阻都比較大，其目的是使轉(zhuǎn)子制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使它的控制繞組不加電壓時(shí)，能及時(shí)制動(dòng)，防止自轉(zhuǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子上嵌放著空間相距90。電角度的兩相分布繞組，兩個(gè)定子繞組結(jié)構(gòu)完全相同，使用時(shí)一個(gè)