第4章交流伺服电动机.ppt

第第 4 4 章章交流伺服电动机交流伺服电动机4.1 交交4.2 交交第第4 4章章 交流伺服电动机交流伺服电动机4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性4.6 移相方法和控制方式移相方法和控制方式4.7 电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性4.8 交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的应用4.9 交流伺服电动机的主要性能指标交流伺服电动机的主要性能指标4.10 交流伺服电动机的主要技术数据交流伺服电动机的主要技术数据掌握交掌握交第第4 4章章 交流伺服电动机交流伺服电动机掌握掌握 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析掌握掌握椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析掌握掌握交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性掌握掌握移相方法和控制方式移相方法和控制方式掌握掌握电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性掌握掌握交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据本章要求：本章要求：4.1 4.1 交流伺服电动机的概述交流伺服电动机的概述 交流伺服电动机在小功率随动系统中得到交流伺服电动机在小功率随动系统中得到非常广泛的应用。它在自动控制系统中，是将非常广泛的应用。它在自动控制系统中，是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。元件。自动控制系统对交流伺服电动机的要求自动控制系统对交流伺服电动机的要求主要有以下几点：主要有以下几点：1、转速和转向应方便地受控制、转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；信号的控制，调速范围要大；2、整个运行范围内的特性应接、整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性；近线性关系，保证运行的稳定性；控制电机控制电机 3、当控制信号消除时，伺服电动机应立、当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即电动机无即停转，即电动机无“自转自转”现象；现象；4、控制功率要小，启动力矩应大；、控制功率要小，启动力矩应大；5、机电时间常数要小，启动电压要低。、机电时间常数要小，启动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。4.2 4.2 交流伺服电动机的工作原理和结构交流伺服电动机的工作原理和结构一、交流伺服电动机的结构一、交流伺服电动机的结构 交流伺服电动机的结构主要分为定子和转交流伺服电动机的结构主要分为定子和转子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组作励磁用，称为励磁绕组j1j2；另一个称为控；另一个称为控制绕组制绕组k1k2；两个绕组的轴线互相垂直，在空；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔间上相隔90。UkUjj1j2k1k2 因此，交因此，交流伺服电动机流伺服电动机是一种两相的是一种两相的交流电动机。交流电动机。控制电机控制电机 交流伺服电动机交流伺服电动机定子铁心和下好线的定子定子铁心和下好线的定子控制电机控制电机UkUjj1j2k1k2 转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。杯形转子。控制电机控制电机 杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。笼转子一样。杯形转子图杯形转子图控制电机控制电机各种交流伺服电动机图片各种交流伺服电动机图片控制电机控制电机二、工作原理二、工作原理UkUjj1j2k1k2 定子两相空间互差定子两相空间互差90电角度绕组中，通入时电角度绕组中，通入时间上互差间上互差90的电流，产生一旋转磁场。转子导体的电流，产生一旋转磁场。转子导体切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转子导体中产生电流。子导体中产生电流。转子载流转子载流导体在旋转磁导体在旋转磁场中受力，从场中受力，从而使得转子沿而使得转子沿旋转磁场转向旋转磁场转向旋转。旋转。NSn1FF动画控制电机控制电机4.3 4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析一、转子不转时一、转子不转时UkUjj1j2k1k21、电磁关系、电磁关系与变压器类似与变压器类似定子加定子加对称对称Ui0漏磁通主磁通Fm mejekeR0IjEjEkEkERERE 2 e Ri0Re je k 1 4.3 4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析2、感应电势、感应电势激磁绕组：激磁绕组：mjjfW44.4E jjjxIjE jjrjrIU 控制绕组：控制绕组：mkkfW44.4E kkkxIjE kkrkrIU 转子绕组：转子绕组：RRrRrIU RRRxIjE mRRfW44.4E 2、电压平衡方程式、电压平衡方程式jjjjjjxIjrIEU kkkkkkxIjrIEU RRRRRxIjrIE UkUjj1j2k1k20IjEjEkEkERERE控制电机控制电机二、转子旋转时二、转子旋转时1、感应电势、感应电势 定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转时相同。时相同。转子绕组：转子绕组：mRRssfW44.4E RsRsRsxIjE RRssEE RRssxx rRjx Rs.RsI.RsE+-f2 转子转子 频率：频率：111112Sf60pnn)nn(60p)nn(60npf 控制电机控制电机2、电压平衡方程式、电压平衡方程式jjjjjjxIjrIEU kkkkkkxIjrIEU RRsRRsRsRsRRsRssxIjrIxIjrIE rRjx Rs.RsI.RsE+-f2控制电机控制电机三、圆形旋转磁场时三、圆形旋转磁场时 定子绕组电压关系定子绕组电压关系1、Wj=Wk 时（此时定子为两相对称绕组）时（此时定子为两相对称绕组）jkIjI jkEjE jkrr jkxx 当当时时又又jjjjjjxIjrIEU 而而jjjjjjkkkkkkUj)xIjrIE(jxIjrIEU 此时此时为了得到圆形旋转磁场，要求为了得到圆形旋转磁场，要求两相绕组两相绕组电压值相等电压值相等，相位互，相位互差差900。UkUjj1j2k1k2jIjEkEkI控制电机控制电机2、Wj/Wk=k 时时jkIjkI kEjEjk 此时此时kUjUjk jkjkWWk1UU 绕组电压大小与绕组匝数成正比。绕组电压大小与绕组匝数成正比。两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的电压分别定义为额定激磁电压电压分别定义为额定激磁电压 jn和额定控制和额定控制电压电压kn，并称两相交流伺服电动机处于对称，并称两相交流伺服电动机处于对称状态。状态。Wj=Wk 时，时，Wj/Wk=k 时，时，Ujn=UknjkjnknWWk1UU UkUjj1j2k1k2jIjEkEkI控制电机控制电机四、转矩及机械特性四、转矩及机械特性 2R2Rs2jR2jRR2R2R2jR2jRRsrxW2srUWZsrxfW4srUpWZT 1、电磁转矩的物理表达式、电磁转矩的物理表达式RRTcosICT 2、电磁转矩的参数表达式、电磁转矩的参数表达式 其中其中ZR为转子导条根数，为转子导条根数，WR为转子绕组有为转子绕组有效匝数（笼形电机效匝数（笼形电机WR=1/2），），s为同步角速度为同步角速度（s=2 n s/60=2 f/p）控制电机控制电机3、机械特性、机械特性oTTmaxTdnns理想空载：理想空载：n=ns，s=0，T=0 最大转矩：最大转矩：n=n1，s=sm，T=T maxRRmxrs Rs2j2jRRmaxxW4UWZT 堵转点（启动点）：堵转点（启动点）：n=0，s=1，T=T d)rx(W2rUWZT2R2Rs2jR2jRRd 机械特性仿真不同转子电阻特性不同转子电阻特性控制电机控制电机 为使交流伺服电动机转速从为使交流伺服电动机转速从0ns整个运行范整个运行范围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整个围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整个范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使sm1。具有大的转子电阻和下垂的机械特具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。性是交流伺服电动机的主要特点。为了表示伺服电动机的运行稳定性，为了表示伺服电动机的运行稳定性，通常引入阻尼系数的概念。这种特通常引入阻尼系数的概念。这种特性用阻尼系数性用阻尼系数D来度量。来度量。0dnT55.9dndT55.9D 空载转速空载转速堵转转矩堵转转矩ToTdnnsTL控制电机控制电机 阻尼系数阻尼系数D值越大，转矩变化对转速的值越大，转矩变化对转速的影响很小，电机运行稳定，反之，电机运影响很小，电机运行稳定，反之，电机运行的稳定性很差。行的稳定性很差。在一定转速范围内，若机械特性近似在一定转速范围内，若机械特性近似看为直线，则在该范围内阻尼系数为看为直线，则在该范围内阻尼系数为1212nnTT55.9D T1、T2、n1、n2分别为该分别为该范围内机械特性上相应的转矩、范围内机械特性上相应的转矩、转速值。转速值。oTTdnnsn2n1T1T24.4 4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析一、椭圆形磁场的形成一、椭圆形磁场的形成 当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不相等，即相等，即 =Bkm/Bjm（0 1）；两绕组电流；两绕组电流相位差为相位差为（0 90o），这时产生的磁场为椭，这时产生的磁场为椭圆形磁场。圆形磁场。当当 =1，=90o，电机产生圆形磁场；，电机产生圆形磁场；当当 =0，=0；=0，=90o，=1，=0；电机产生脉振磁场；电机产生脉振磁场；当当0 1，0 1，电机，电机不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，使电机停转。运行时，电机就立刻产生制动转矩，使电机停转。r2a r2b r2casTcsTbsT1110202200202 为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的机械特性必须如图机械特性必须如图（c）所示，显然这也就要求有相当所示，显然这也就要求有相当大的转子电阻大的转子电阻。控制电机控制电机2、椭圆磁场时的机械特性、椭圆磁场时的机械特性 左图为椭圆磁场的左图为椭圆磁场的机械特性，反向旋转磁机械特性，反向旋转磁场的存在，产生了附加场的存在，产生了附加的制动转矩的制动转矩T反反，使电机，使电机输出转矩减少，且在输出转矩减少，且在T=0的理想空载情况下，转的理想空载情况下，转子转速已不能达到同步子转速已不能达到同步速速ns，只能达到小于，只能达到小于ns的的n0。T反反T正正nsTsn001nTTTem4.5 4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性一、有效信号系数一、有效信号系数e（=90o）knkeUU （0 e 1，0 U k Ukn）U k 为控制绕组所加电压，为控制绕组所加电压，U kn为额定控制电压为额定控制电压e 不仅可以表示控制电压的值，而且也可不仅可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机的不对称运行程度。以表示电机的不对称运行程度。当当e=1，U k=U