1. 1. 1. System composition
  2. 2. 2. Drive System dynamics
    1. 2.1. 2.1 One axis
    2. 2.2. 2.2 Multi-axis
      1. 2.2.1. 2.2.1 composition
      2. 2.2.2. 2.2.2 transfer to one axis
      3. 2.2.3. 2.2.3 moment of flywheel飞轮矩
    3. 2.3. 2.3 Manufacturing machine ‘s mechanical properties
      1. 2.3.1. 2.3.1 Constant torque
      2. 2.3.2. 2.3.2 Constant power
      3. 2.3.3. 2.3.3 centrifugal machine
      4. 2.3.4. 2.3.4 Linear
    4. 2.4. 2.4 Stable working condition
    5. 2.5. 2.5 Dynamic progress
      1. 2.5.1. 2.5.1 time constant$t_m$
      2. 2.5.2. 2.5.2 transition time
  3. 3. 3.DC motor
    1. 3.1. 3.1 Work principle
    2. 3.2. 3.2 Structure
    3. 3.3. 3.3 induced electromotive force, electromagnetic torque
    4. 3.4. 3.4 Excitation mode
    5. 3.5. 3.5 Separate excitation mechanical properties
      1. 3.5.1. 3.5.1 Inherent mechanical properties
      2. 3.5.2. 3.5.2 Manual
    6. 3.6. 3.6 Start
      1. 3.6.1. 3.6.1 low U
      2. 3.6.2. 3.6.2 Add R
    7. 3.7. 3.7 Brake
      1. 3.7.1. 3.7.1 dynamic braking 能耗
      2. 3.7.2. 3.7.2 Plug反接制动
        1. 3.7.2.1. 3.7.2.1 reversed U
        2. 3.7.2.2. 3.7.2.2 reversed Rotate speed
      3. 3.7.3. 3.7.3 Regenerative braking回馈制动
        1. 3.7.3.1. 3.7.3.1 Forward（low U）
        2. 3.7.3.2. 3.7.3.2 Backward
    8. 3.8. 3.8 Speed regulation
      1. 3.8.1. 3.8.1 Index
      2. 3.8.2. 3.8.2 Add R
      3. 3.8.3. 3.8.3 Low u
      4. 3.8.4. 3.8.4 Low magnetic flow
  4. 4. 4. three-phase asynchronous motor
    1. 4.1. 4.1 Type
    2. 4.2. 4.2 Constructure
    3. 4.3. 4.3 Work princple
    4. 4.4. 4.4 Mechanical properties
      1. 4.4.1. 4.4.1 Inherent MP
      2. 4.4.2. 4.4.2 Manual MP
    5. 4.5. 4.5 Start
      1. 4.5.1. 4.5.1 direct
      2. 4.5.2. 4.5.2 Low U
        1. 4.5.2.1. 4.5.2.1 $Y-\Delta$
        2. 4.5.2.2. 4.5.2.2 Self-couple
        3. 4.5.2.3. 4.5.2.3 Add R
        4. 4.5.2.4. 4.5.2.4 Example
      3. 4.5.3. 4.5.3 Wound rotor
    6. 4.6. 4.6 Braking
      1. 4.6.1. 4.6.1 Dynamic braking
      2. 4.6.2. 4.6.2 Plug braking
        1. 4.6.2.1. 4.6.2.1 U
        2. 4.6.2.2. 4.6.2.2 Pull(for wound)
      3. 4.6.3. 4.6.3 Regenerative
        1. 4.6.3.1. 4.6.3.1 Letting down weight
        2. 4.6.3.2. 4.6.3.2 Change pole/ frequency
    7. 4.7. 4.7 Speed regulation
      1. 4.7.1. 4.7.1 change pole p(just for squirrel-cage)
      2. 4.7.2. 4.7.2 change frequency
      3. 4.7.3. 4.7.3 Change slip ratio
    8. 4.8. 4.8 AC U/V regulation system
  5. 5. 5. Synchronous motor
    1. 5.1. 5.1 Structure
    2. 5.2. 5.2 Princple
    3. 5.3. 5.3 Start
      1. 5.3.1. 5.3.1 Asynchronous start
      2. 5.3.2. 5.3.2 help by another motor
      3. 5.3.3. 5.3.3 change frequency
    4. 5.4. 5.4 Speed regulation: frequency
  6. 6. 6. Motor choose
    1. 6.1. 6.1 Types
    2. 6.2. 6.2 Work way
      1. 6.2.1. 6.2.1 Continuous
      2. 6.2.2. 6.2.2 short time
      3. 6.2.3. 6.2.3 Periodic
    3. 6.3. 6.3 Others
  7. 7. 8. DC brushless motor
  8. 8. 9. Controlled motor
    1. 8.1. 9.1 Servo motor
    2. 8.2. 9.2 Stepping motor
  9. 9. 7. 晶闸管SCR
    1. 9.1. 7.1 简介
    2. 9.2. 7.2 导通原理
    3. 9.3. 7.3 种类
    4. 9.4. 7.4 晶闸管触发
      1. 9.4.1. 7.4.1 触发条件
      2. 9.4.2. 7.4.2 单结晶体管
    5. 9.5. 7.5 单相SCR半波
    6. 9.6. 7.6 单相桥式SCR
    7. 9.7. 7.7 单相全控桥式
    8. 9.8. 7.8 三相半波
    9. 9.9. 7.9 三相桥式
    10. 9.10. 7.10 逆变器
    11. 9.11. 7.11 晶闸管串并联和保护

Motor - APS

APS, Automation
| visited times

1. System composition

2. Drive System dynamics

2.1 One axis

$$T-T_L=J\frac{d\Omega}{dt}=(J_R+J_m)\frac{d\Omega}{dt}$$

$\because\dfrac{d\Omega}{dt}=\dfrac{2\pi}{60}\dfrac{dn}{dt}, J=m\rho^2=\frac{GD^2}{4g}​$

$\therefore T-T_L=\frac{GD^2}{375}\frac{dn}{dt}$

  • $T_L$ : load torque, Nm
  • $J_R$ : motor rotational inertia
  • $G$ : gravity
  • $D$ : diameter

  • direction

2.2 Multi-axis

2.2.1 composition

2.2.2 transfer to one axis

  • torque

    $T_L=\dfrac{T_mw_m}{w}=\dfrac{T_m}{j\eta}$

    • $j=j_1j_2j_3\dots$

  • 直线 : $T_mw_m=Fv$

2.2.3 moment of flywheel飞轮矩

$GD^2=GD_m^2+\dfrac{GD_1^2}{(n/n_1)^2}\dots+\dfrac{GD_L^2}{j^2}$

2.3 Manufacturing machine ‘s mechanical properties

2.3.1 Constant torque

2.3.2 Constant power

2.3.3 centrifugal machine

2.3.4 Linear

2.4 Stable working condition

  • Necessary condition : $n=f(T_m), n=f(T_L)​$有交点（平衡点）
  • sufficient condition : 受到干扰后, 要具有恢复到原平衡状态, $\dfrac{dT}{dn}<\dfrac{dT_L}{dn}$

2.5 Dynamic progress

2.5.1 time constant$t_m$

达到稳态转速$n_L$所需的时间

2.5.2 transition time

3.DC motor

3.1 Work principle

right hand

3.2 Structure

  • 转子Rotor

  • 定子Stator

  • 铭牌数据 : rated XXX
    • $P_N​$
    • $I_N$
    • $n_N$
    • $I_{fN}$ : 额定励磁电流

3.3 induced electromotive force, electromagnetic torque

  • electromotive force感应电动势: $E=C_e\Phi n$

    • $C_e$ : EMF constant
    • $\Phi$ : magnetic flow

  • Kirchhoff : $U=E+I_aR_a=C_e\Phi n+I_aR_a$

    • $R_a$ : winding resistance
  • EM torque电磁转矩 : $T=C_T\Phi I_a=9.55C_e\Phi I_a$
    • $C_T$ : T constant

3.4 Excitation mode

  • separate
  • self
  • series
  • shunt
  • compound

3.5 Separate excitation mechanical properties

3.5.1 Inherent mechanical properties

$$n=\dfrac{U}{C_e\Phi}-\dfrac{R_a+R_c}{9.55(C_e\Phi)^2}T=n_0-\beta T$$

  • $n_0=\dfrac{U}{C_e\Phi}$ : ideal null load

  • $\beta=\dfrac{R_a+R_c}{C_e\Phi C_T\Phi}$ : slope斜率

  • A : 理想空载点

  • B : 堵转点

3.5.2 Manual

$n=\dfrac{U}{C_e\Phi}-\dfrac{R_a+R_c}{9.55(C_e\Phi)^2}T$

  • add resistance

  • change voltage

  • change magnetic flow

  • Real $R_a$

    $R_a=(\frac{1}{2}-\frac{2}{3})\frac{U_NI_N-P_N}{I_N^2}$

3.6 Start

3.6.1 low U

$$U_1=(1.5\sim2)I_NR_a$$

3.6.2 Add R

$I_1=(1.5\sim2)I_N, I_2=(1.1\sim1.2)I_N$

series : $m=2\sim4$

start current ratiio : $\dfrac{I_1}{I_2}=\gamma=^m\sqrt{\dfrac{\dfrac{U_N}{I_1}}{R_q}}$

$R_{s+1}=(\gamma-1)R_a, R_{s+1}=\gamma R_{s+1}, R_{s+3}=\gamma R_{s+2}$

3.7 Brake

3.7.1 dynamic braking 能耗

$$n=-\dfrac{R_a+R_c+R_z}{9.55(C_e\Phi)^2}T$$

  • 常用于反抗性负载的准确停车, 也可用于匀速下放重物

3.7.2 Plug反接制动

3.7.2.1 reversed U

反抗性负载

$$n=-\dfrac{U}{C_e\Phi}-\dfrac{R_a+R_z}{9.55(C_e\Phi)^2}T=-n_0-\beta’ T$$

  • 需加$R_z$

  • 要求快速停车随后立即反向起动的生产机械更为合适

3.7.2.2 reversed Rotate speed

位能性负载

$$n=n_0-\dfrac{R_a+R_z}{9.55(C_e\Phi)^2}T$$

  • $R_z$很大

3.7.3 Regenerative braking回馈制动

  • Economic
  • high speed constant speed let down the weight

3.7.3.1 Forward（low U）

  • kinetic energy to electric energy to power grid

    电动机将动能转换为电能回馈给电网

  • 他励直流电动机增磁调速时, 也会出现回馈制动帮助减速的情况

3.7.3.2 Backward

位能负载下放+反接制动

F点速度较高, 通常E点后将RZ切除, 使机械特性成为红色线, 稳定在G点

3.8 Speed regulation

3.8.1 Index

  • range D : $D=\dfrac{n_{max}}{n_{min}}$, bigger then better
  • Static rate $\delta=\dfrac{n_0-n_N}{n_0}=\dfrac{\Delta n}{n_0}$, MP hardness
    • D, $\delta​$是相互制约
    • $\delta$相同时降压, D更大
  • Smoothness $\varphi=\dfrac{n_i}{n_{i-1}}$

3.8.2 Add R

$I=\dfrac{T}{C_e\Phi}=C, P=UI=C$

  • Stepped speed regulation
  • low efficiency at low speed, stable n

3.8.3 Low u

$\Phi=C, T=C,I=C$

  • continuous regulation连续调速
  • efficiency no change
  • low speed low costing低速耗能小

3.8.4 Low magnetic flow

4. three-phase asynchronous motor

4.1 Type

  • AC
    • synchronous
    • asynchronous
      • 3 phase
      • 1 phase
  • DC
    • 4 excitation

4.2 Constructure

  • Stator : iron core, 3phase winding, bed

  • Rotor

    • squirrel-cage
    • wound rotor

4.3 Work princple

  • pole-pairs p : generate magnetic field with p magnetic pole

  • $n_0=\dfrac{60f}{p}$

  • princple

  • slip ratio $s=\dfrac{n_0-n}{n_0}$

    asynchronous : $n<n_0$

4.4 Mechanical properties

  • practical expression

    $T_{em}=\dfrac{2T_m}{\dfrac{S}{S_m}+\dfrac{S_m}{S}}$

    • $T_N=9550\frac{P_N}{n_N}$
    • $s_m=s_N(\lambda_T+\sqrt{\lambda_T^2-1})$

  • critical slip ratio

  • overload capacity

    $T_m=\lambda_TT_N$

  • start torque

    $T_{st}=K_{st}T_N$

4.4.1 Inherent MP

4.4.2 Manual MP

  • $T_{st}\propto U_1^2$

  • $R_2’\uparrow, s_m\uparrow$

4.5 Start

requirment

  • $I_{st}$小 : $E\uparrow$
  • $T_{st}​$大 : $T_{st}=T_{em}=C_T\Phi_0I_2cos\varphi_2, cos\varphi ​$小

4.5.1 direct

start current multiple $k_r\le \dfrac{I_{1st}}{I_N}=\frac{1}{4}(\dfrac{S_N}{P_N}+3)​$

  • $S_N$ : power grid capacity, kVA
  • $P_N$ : motor, kW

4.5.2 Low U

4.5.2.1 $Y-\Delta$

Y start, $\Delta$ working , null/ low load

$\dfrac{I_{1st}’}{I_{1st}}=\dfrac{Y}{\Delta}=\frac{1}{3}$

$\dfrac{T_{1st}’}{T_{1st}}=(\dfrac{1}{\sqrt3})^2=\frac{1}{3}$

4.5.2.2 Self-couple

$I’{1st}=\dfrac{I{1st}}{k^2}\T’{st}=\dfrac{T{st}}{k^2}$

$k=\dfrac{1}{55\%/64\%/73\%}$

4.5.2.3 Add R

4.5.2.4 Example

4.5.3 Wound rotor

  • rotor add r

4.6 Braking

4.6.1 Dynamic braking

cutting constant magnetic field

4.6.2 Plug braking

4.6.2.1 U

4.6.2.2 Pull(for wound)

4.6.3 Regenerative

4.6.3.1 Letting down weight

4.6.3.2 Change pole/ frequency

4.7 Speed regulation

$n=\dfrac{60f_1}{p}(1-s)$

  • p
  • $f_1$
  • s

4.7.1 change pole p(just for squirrel-cage)

4.7.2 change frequency

  • Constant T : 主磁通和过载能力不变

  • Constant P : 过载能力不变, 但主磁通发生变化

4.7.3 Change slip ratio

  • rotor add r (wound)

  • Cascade speed regulation

  • change u

4.8 AC U/V regulation system

  • Thyristor SCR

    • 1 phase AC U regulation

    • 3 phase AC U regulation

  • step V regulation

  • frequency C regulation

    • 交－直－交变频调速 : 带直流环节的间接变频调速

      • 脉宽调制型变频调速系统（PWM）
        • 变幅PWM型变频器（直流电压可变）
          • 整流器 : 晶闸管整流器, 用来调压
          • 逆变器 : 用来调频（输出频率）
        • 恒幅PWM型变频器（直流电压恒定）
          • 整流器 : 二极管整流桥
          • 逆变器 : 输入恒定的直流电压, 调节输出电压的脉冲宽度和频率（实现调压和调频）
      • SPWM

    • 交－交变频调速 : 不带直流环节的直接变频调速

  • VVVF variable voltage and variable frequency

5. Synchronous motor

5.1 Structure

5.2 Princple

  • 同步转速$n=\dfrac{60f_1}{p}$

  • 机械特性

  • 励磁

    • 正常励磁

      气隙磁场全部由转子励磁线圈的磁动势产生, 定子功率因数为1, 同步电机定子绕组处于电阻状态

    • 过励磁

      气隙磁场也全部由转子励磁线圈的磁动势产生且有多于磁场能转化为定子的无用功率, 使定子电流超前电压, 使同步电机电子绕组工作于电容状态

    • 欠励磁

      气隙磁场仅有一部分由转子励磁线圈的磁动势产生, 还有一部分由定子磁动势产生, 这时同步电动机定子绕组的电流滞后于交流电压, 定子绕组工作于电感状态

5.3 Start

5.3.1 Asynchronous start

5.3.2 help by another motor

容量约为10％~15％异步电动机启动

5.3.3 change frequency

5.4 Speed regulation: frequency

6. Motor choose

6.1 Types

  • asynchronous : simple, reliable, start and regulation, low power factor
  • synchronous : change the power factor though excitation current
  • DC : start and regulation easy, complicate structure, high costing

6.2 Work way

6.2.1 Continuous

  • temperature rising

  • power

    • constant load : $P_n\ge P_L$

    • variable load :

    • choose

      • first : $P_N=(1.1\sim1.6)P_j$

      • Checkout :

        • average

        • 等效功率/转矩/电流法【多】

6.2.2 short time

  • 温升

  • 电功率

    • 15min, 30min, 60min, 90min

    • others need to be convertted

6.2.3 Periodic

  • 温升

  • 电功率

6.3 Others

  • Type : horizontal / vertical

  • protecting : open, 防护式, closed,

  • 同功率电动机高转速体积小

8. DC brushless motor

  • princple

  • 与交流同步对比

  • V regulation

9. Controlled motor

9.1 Servo motor

closed-loop system

  • AC

  • DC

  • servo driver

9.2 Stepping motor

open- loop motor

  • Princple

  • power on methode : 单三拍, 六拍及双三拍等

    • 单 : 每次只有一相绕组通电

    • 双 : 每次有两相绕组通电

    • 拍 : 通电次数

    3 phase 3 step : A—B—C—A

    三相六拍 : A—AB—B—BC—C—CA—A

  • 实际 : 小步距角步进电动机

  • pitch $\tau=\frac{360^\circ}{Z}$

    • $Z$ : 齿数

  • stepping angle : $\beta=\frac{\tau}{拍数}=\frac{360^\circ}{ZKm}$

    • $K$ : pat 3 pats, K=1；6 pats , K＝2
    • $m$ : phase

  • $n=\frac{60}{KZm}f$

  • drive system : ring pulse distributor

  • drive circuit

7. 晶闸管SCR

7.1 简介

  • 优点
    • 功率放大倍数可达几十万倍
    • 控制灵敏, 反应快
    • 损耗小, 效率高
    • 体积小, 重量轻
    • 改善了工作条件, 维护方便
  • 缺点
    • 过载能力弱
    • 抗干扰能力差
    • 导致电网电压波形畸变
    • 控制电路比较复杂

7.2 导通原理

  • 截止状态
  • 导通状态
  • 反向阻断状态
  • 维持电流$I_H$
  • 额定电流$I_T$

7.3 种类

  • 双向晶闸管TRIAC

  • 可关断晶闸管GTO

    动态特性好的晶闸管

  • 功率晶体管GTR : 正向导通压降（0.3 ~ 0.8）V

  • 大功率二极管（整流二极管） : 开关

  • 绝缘栅双极晶体管IGBT : 高压大电流

  • MOS控制晶闸管（MCT）

  • 集成门集换流晶闸管IGCT

  • 注入式增强栅晶体管IEGT : TGBT+GTO

7.4 晶闸管触发

7.4.1 触发条件

  • 4v-10V
  • 10微秒
  • 不触发0.15-0.2
  • 前沿陡
  • 同步移相

7.4.2 单结晶体管

7.5 单相SCR半波

  • 续流二极管

    • $u=0/-$ : 无电流流回电源
    • 电感放出能量消耗在电阻上

7.6 单相桥式SCR

7.7 单相全控桥式

7.8 三相半波

7.9 三相桥式

$$U_d=2.34U_{p}cos\alpha$$

7.10 逆变器

  • 整流器 : 交流$\rightarrow$直流
  • 逆变器 : 直流$\rightarrow$交流
    • 有源 : 直流电变换成电网电
      • 用途 : 直流电机可逆调速, 异步电机串级调速
    • 无缘 : 直流电变换成固定/可变频率交流电供给电机
      • 用途 : 交流电机的变频调速
  • 变流器 : 直流$\Leftrightarrow$交流

7.11 晶闸管串并联和保护

  • 串并联

  • 过电流

  • 过电压

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