教学课件第7章交流伺服电动机

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1、第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 第第7章章交流伺服电动机交流伺服电动机7.1概述概述7.2交流伺服电动机结构特点和工作原理交流伺服电动机结构特点和工作原理7.3两相绕组的圆形旋转磁场两相绕组的圆形旋转磁场7.4圆形旋转磁场作用下的运行分析圆形旋转磁场作用下的运行分析7.6椭圆形旋转磁场及其分析方法椭圆形旋转磁场及其分析方法7.7幅值控制时的特性幅值控制时的特性7.8移相方法和控制方式移相方法和控制方式7.10交流伺服电动机的使用交流伺服电动机的使用7.11主要性能指标和技术数据主要性能指标和技术数据思考题与习题思考题与习题第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.1概概述述功

2、功率率从从几几瓦瓦到到几几十十瓦瓦的的交交流流伺伺服服电电动动机机在在小小功率随动系统功率随动系统中得到非常广泛的应用。中得到非常广泛的应用。交交流流伺伺服服电电动动机机在在自自动动控控制制系系统统中中也也常常被被用用来作为执行元件。来作为执行元件。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1交交流流伺伺服服电电动动机机；2减减速速齿齿轮轮；3机机械械负负载载轴轴图7-1 交流伺服电动机的功用第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由由于于交交流流伺伺服服电电动动机机在在控控制制系系统统中中主主要要作作为为执执行行元件，元件，自动控制系统对它提出的要求自动控制系统对它提出的要求主要有下列

3、几点：主要有下列几点：(1)转转速速和和转转向向应应方方便便地地受受控控制制信信号号的的控控制制，调调速范围要大；速范围要大；(2)整整个个运运行行范范围围内内的的特特性性应应具具有有线线性性关关系系，保保证运行的稳定性；证运行的稳定性；(3)当当控控制制信信号号消消除除时时，伺伺服服电电动动机机应应立立即即停停转转，也就是要求伺服电动机无也就是要求伺服电动机无“自转自转”现象；现象；(4)控制功率要小，控制功率要小，启动转矩应大；启动转矩应大；(5)机机电电时时间间常常数数要要小小，始始动动电电压压要要低低。当当控控制制信号变化时，信号变化时，反应应快速灵敏。反应应快速灵敏。第第五五章章 交

4、流伺服电动机交流伺服电动机 7.2交流伺服电动机结构特点和工作原理交流伺服电动机结构特点和工作原理交交流流伺伺服服电电动动机机的的结结构构主主要要可可分分为为两两大大部部分分，即即定定子子部部分分和和转转子子部部分分。其其中中定定子子的的结结构构与与旋旋转转变变压压器器的的定定子子基基本本相相同同，在在定定子子铁铁心心中中也也安安放放着着空空间间互互成成90电电角角度度的的两两相相绕绕组组，如如图图7-2所所示示。其其中中l1-l2称称为为励励磁磁绕绕组组，k1-k2称称为为控控制制绕绕组组，所所以以交交流流伺伺服服电电动动机机是是一一种种两相的交流电动机两相的交流电动机。图7-27.2.1交

5、流伺服电动机基本结构及特点交流伺服电动机基本结构及特点第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子的转子的常用结构常用结构的有鼠笼形转子和非磁性的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。杯形转子。鼠笼形转子交流伺服电动机的结构鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图如图7-3所示，所示，它的转子由转轴、它的转子由转轴、转子铁心和转子铁心和转子绕组等组成。转子绕组等组成。如果去掉铁心，如果去掉铁心，整个转子整个转子绕组形成一鼠笼状，绕组形成一鼠笼状，如图所示，如图所示，“鼠笼转子鼠笼转子”即由此得名。即由此得名。鼠笼的材料有用铜的，鼠笼的材料有用铜的，也有也有用铝的。用铝的。图7-3第第五五章章 交流伺服电

6、动机交流伺服电动机 1定定子子绕绕组组；2定定子子铁铁心心；3鼠鼠笼笼转转子子图图7-2两相绕组分布图两相绕组分布图返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-3鼠笼形转子交流伺服电动机返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 鼠笼式转子绕组第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图7-6所所示。示。图中图中外定子外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样，一样，内定子内定子由环形钢片叠成，由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，通常内定子不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，

7、只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。作为电机磁路的一部分。在内、在内、外定子之间有细长的外定子之间有细长的空心转子空心转子装在转轴上，装在转轴上，空空心转子作成杯子形状，心转子作成杯子形状，所以又称为所以又称为空心杯形转子空心杯形转子。空空心杯由非磁性材料铝或铜制成，心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，它的杯壁极薄，一般一般在在0.3mm左右。左右。杯形转子杯形转子套在内定子铁心外，套在内定子铁心外，并通过并通过转轴可以在内、转轴可以在内、外定子之间的气隙中外定子之间的气隙中自由转动自由转动，而而内、内、外定子是不动的外定子是不动的。图7-6第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服

8、电动机 杯杯形形转转子子与与鼠鼠笼笼转转子子从从外外表表形形状状来来看看是是不不一一样样的的。但但实实际际上上，杯杯形形转转子子可可以以看看作作是是鼠鼠笼笼条条数数目目非非常常多多的的、条条与与条条之之间间彼彼此此紧紧靠靠在在一一起起的的鼠鼠笼笼转转子子，杯杯形形转转子子的的两两端端也也可可看看作作由由短短路路环环相相连连接接，如如图图所所示示。这这样样，杯杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。从从实实质质上上看看，杯杯形形转转子子与与鼠鼠笼笼转转子子二二者者没没有有什什么么差别，差别，在电机中所起的作用也完全相同。在电机中所起的作用也完全相同。图第第五五章章

9、交流伺服电动机交流伺服电动机 1杯形转子； 2外定子；3内定子；4机壳；5端盖图7-6杯形转子伺服电动机返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 杯形转子与鼠笼转子相似返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 与与鼠鼠笼笼形形转转子子相相比比较较，非非磁磁性性杯杯形形转转子子惯惯量量小小，轴轴承承摩摩擦擦阻阻转转矩矩小小。由由于于它它的的转转子子没没有有齿齿和和槽槽，转转子子一一般般不不会会有有抖抖动动现现象象，运运转转平平稳稳。但但是是由由于于它它内内、外外定定子子间间气气隙隙较较大大(杯杯壁壁厚厚度度加加上上杯杯壁壁两两边边的的气气隙隙)，所所以励磁电流就大，以励磁电流就大，降

10、低了电机的利用率；降低了电机的利用率；另另外外，杯杯形形转转子子伺伺服服电电动动机机结结构构和和制制造造工工艺艺又又比比较较复复杂杂。因因此此，目目前前广广泛泛应应用用的的是是鼠鼠笼笼形形转转子子伺伺服服电电动动机机，只只有有在在要要求求运运转转非非常常平平稳稳的的某某些些特特殊殊场场合合下下，才采用非磁性杯形转子伺服电动机才采用非磁性杯形转子伺服电动机。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-8电气原理图交流伺服电动机使用时，交流伺服电动机使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电励磁绕组两端施加恒定的励磁电压压Uf，控制绕组两端施加控制控制绕组两端施加控制电压电压Uk，如图如图7-8所

11、示。所示。无控无控制信号（控制电压）时，只有励制信号（控制电压）时，只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子不磁绕组产生的脉动磁场，转子不能转动。当定子控制绕组加上电能转动。当定子控制绕组加上电压后，压后，伺服电动机就会很快转伺服电动机就会很快转动起来，动起来，将电信号转换成转轴将电信号转换成转轴的机械转动。的机械转动。返回7.2.2交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3两相绕组的圆形旋转磁场两相绕组的圆形旋转磁场假假定定励励磁磁绕绕组组有有效效匝匝数数Nf与与控控制制绕绕组组有有效效匝匝数数Nk相相等等。这这种种在在空空间间上上互互差差90

12、电电角角度度，有有效效匝匝数数又又相相等等的的两两个个绕绕组组称称为为对对称称两两相相绕绕组组。同同时时，又又假假定定通通入入励励磁磁绕绕组组的的电电流流与与通通入入控控制制绕绕组组的的电电流流相相位位上上彼彼此此相相差差90，幅幅值值彼彼此此相相等等，这这样样的的两两个个电电流流称称为为两相对称电流两相对称电流，第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 旋转磁场小结旋转磁场小结：(1)单单相相绕绕组组通通入入单单相相交交流流电电后后，所所产产生生的的是是一一个个脉脉振振磁场。磁场。(2)圆圆形形旋旋转转磁磁场场的的特特点点是是：它它的的磁磁通通密密度度在在空空间间按按正正弦规律分布，弦规律

13、分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。(3)两两相相对对称称绕绕组组通通入入两两相相对对称称电电流流就就能能产产生生圆圆形形旋旋转转磁磁场场；或或者者说说，空空间间上上相相夹夹90电电角角度度，时时间间上上彼彼此此有有90相相位差位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (5)旋旋转转磁磁场场的的转转速速称称为为同同步步速速，只只与与电电机机极极数数和电源频率有关，和电源频率有关，其关系为其关系为(4)旋转磁场的转向是从电流超前相的绕组轴线转到旋转磁场的

14、转向是从电流超前相的绕组轴线转到电流落后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上电流落后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相，所加的电压反相，就可以改变旋转磁场的转向。就可以改变旋转磁场的转向。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4交流伺服电动机的运行交流伺服电动机的运行交交流流伺伺服服电电动动机机转转子子跟跟着着旋旋转转磁磁场场转转动动时时的的转转速速n总总是是低低于于旋旋转转磁磁场场的的同同步步转转速速ns。转转子子转转速速与与同同步步速速之差，之差，也就是转子导体切割磁场的相对速率为也就是转子导体切割磁场的相对速率为n=ns-n(7-6)转速和转差率转速和转

15、差率转差率转差率（7-7）第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速，交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速，而且随着负载阻转矩值的变化而变化，而且随着负载阻转矩值的变化而变化，因此因此交流伺服交流伺服电动机又称为两相异步伺服电动机电动机又称为两相异步伺服电动机。所谓所谓“异步异步”，就是指电机转速与同步速有差异。就是指电机转速与同步速有差异。励磁绕组、控制绕组和转子磁绕的感应电势：励磁绕组、控制绕组和转子磁绕的感应电势： Ef=4.44fWf kwf (7-19) Ek=4.44fWk kwk(7-20) ER=4.44fWR kwR(7-21

16、)式中，式中，Wf、Wk、WR分别是各绕组有效匝数（鼠笼转子分别是各绕组有效匝数（鼠笼转子绕组的有效匝数绕组的有效匝数W WR R=1/2=1/2）。）。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 要要得得到到圆圆形形旋旋转转磁磁场场，加加在在励励磁磁绕绕组组和和控控制制绕绕组组上的电压应符合怎样条件呢上的电压应符合怎样条件呢?分两种情况来说：分两种情况来说：(1)当当励励磁磁绕绕组组有有效效匝匝数数Nf和和控控制制绕绕组组有有效效匝匝数数Nk相相等等，即即Nf=Nk时时，定定子子绕绕组组为为对对称称两两相相绕绕组组，产产生生圆圆形形磁磁场场的的定定子子电电流流必必须须是是两两相相对对称称电电

17、流流，即即两两相相电电流幅值相等，流幅值相等，相位相差相位相差90。7.4.3圆形旋转磁场时的定子绕组电压圆形旋转磁场时的定子绕组电压结结结结论论论论：当当两两相相绕绕组组匝匝数数相相等等时时，为为得得到到圆圆形形旋旋转转磁磁场场，要要求求两两相相电电压压值值相相等等，相相位位差差成成90，这这样样的的两两个电压称为个电压称为两相对称电压两相对称电压。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (2)当当两两相相绕绕组组匝匝数数不不等等时时，设设Wf /Wk=k，此此时时为为得得到到圆圆形形旋旋转转磁磁场场，两两相相电电流流幅幅值值不不等等，且且应应与与绕绕组匝数成反比，组匝数成反比，相位仍差

18、相位仍差90。(7-4)结结结结论论论论：当当两两相相绕绕组组匝匝数数不不等等时时，为为得得到到圆圆形形旋旋转转磁磁场场，要要求求两两相相电电压压的的相相位位差差是是90，其其值值应应与与匝匝数数成成正比，这样的两个电压称为正比，这样的两个电压称为两相对称电压两相对称电压。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4.4转矩及机械特性转矩及机械特性1 1、电磁转矩的表达式、电磁转矩的表达式（7-69）2 2、机械特性、机械特性对于伺服电动机来说，对于伺服电动机来说，必须具有下垂的机械特性，必须具有下垂的机械特性，才能保证伺服电动机在整个运行范围工作的稳定。才能保证伺服电动机在整个运行范围

19、工作的稳定。分析机械特性的稳定和不稳定运行区？分析机械特性的稳定和不稳定运行区？现在来分析图现在来分析图7-28所示的凸形的机械特性。所示的凸形的机械特性。机械特机械特性以峰值为界可分成两段，即上升段性以峰值为界可分成两段，即上升段ah和下降段和下降段hf。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-27不同转子电阻的机械特性不同转子电阻的机械特性(RR4 RR3 RR2 RR1 )返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-28稳定区域和不稳定区域稳定区域和不稳定区域返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 假定电机带动一个恒定负载，假定电机带动一个恒定负载，负载的

20、阻转矩为负载的阻转矩为TL(包括电机本身的阻转矩包括电机本身的阻转矩)，这时电机在下降段这时电机在下降段g点稳点稳定运转。定运转。如果由于某种原因，如果由于某种原因，负载的阻转矩由负载的阻转矩由TL突然突然增加到增加到TL，这样这样电动机的转矩小于负载阻转矩电动机的转矩小于负载阻转矩，电电机就要减速，机就要减速，转差率转差率s就要增大，就要增大，这时电动机的转矩这时电动机的转矩也要随着增大，也要随着增大，一直增加到等于一直增加到等于TL，与负载的阻转与负载的阻转矩相平衡为止，矩相平衡为止，这样电机在这样电机在g点又稳定地运转。点又稳定地运转。图7-28第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机

21、 如果如果电动机运行在特性上升段电动机运行在特性上升段ah。假定电动机在假定电动机在b点运行，点运行，当负载阻转矩突然增加时，当负载阻转矩突然增加时，电动机转速就要下电动机转速就要下降降。从图中可以看出，从图中可以看出，在在b点运行时，点运行时，如转速下降，如转速下降，则则电动机转矩要减小电动机转矩要减小，造成造成电机转矩更小于负载阻转矩电机转矩更小于负载阻转矩，结果电动机转速一直下降，结果电动机转速一直下降，直到停止为止。直到停止为止。如果如果电机在电机在b点运转，点运转，而而负载阻转矩突然下降负载阻转矩突然下降，那末电动机转速就那末电动机转速就要增加，转速增加后电动机转矩也随之增大，要增加

22、，转速增加后电动机转矩也随之增大，造成电机造成电机转矩更大于负载阻转矩，转矩更大于负载阻转矩，结果电动机的转速一直上升，结果电动机的转速一直上升，直到在稳定区直到在稳定区fh运转于运转于c点为止。点为止。因此电动机在上升段因此电动机在上升段ah，即在从即在从nm到到1的转速范围内运行时，的转速范围内运行时，对负载来说运转对负载来说运转是不稳定的，是不稳定的，叫作叫作不稳定区。不稳定区。图7-28第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 结论结论：对于一般负载对于一般负载(如恒定负载如恒定负载)只有在机械特性下降段，只有在机械特性下降段，即导数即导数dTem/dn0处才是稳定区，处才是稳定区，

23、才能稳定运行。才能稳定运行。所以，所以，为了使伺服电动机在转速从为了使伺服电动机在转速从0ns的整个运行范的整个运行范围内都保证其工作稳定性，围内都保证其工作稳定性，它的机械特性就它的机械特性就必须在转速必须在转速从从0ns的整个运行范围内都是下垂的的整个运行范围内都是下垂的，如图如图7-29所示。所示。显然，显然，要具有这样下垂的机械特性，交流伺服电动要具有这样下垂的机械特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，机要有足够大的转子电阻，使临界转差率使临界转差率sm1。图7-29第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-29伺服电动机的机械特性伺服电动机的机械特性返回第第五五章章 交

24、流伺服电动机交流伺服电动机 另外，另外，从图从图7-27中几条曲线形状的比较还可看出，中几条曲线形状的比较还可看出，转子电阻越大，转子电阻越大，机械特性越接近直线机械特性越接近直线(如图中特性如图中特性3比比特性特性2、1更接近直线更接近直线)，使用中往往对伺服电动机的使用中往往对伺服电动机的机械特性非线性度有一定限制，机械特性非线性度有一定限制，为了改善机械特性线为了改善机械特性线性度，性度，也必须提高转子电阻。也必须提高转子电阻。所以，所以，具有具有大的转子电大的转子电阻阻和和下垂的机械特性下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。是交流伺服电动机的主要特点。图7-27第第五五章章 交流伺

25、服电动机交流伺服电动机 阻尼系数阻尼系数阻尼系数阻尼系数 为了表示伺服电动机的运行稳定性，常引入阻尼系数为了表示伺服电动机的运行稳定性，常引入阻尼系数的概念。下垂机械特性负的斜率的概念。下垂机械特性负的斜率( (即即 ) )表示了伺表示了伺服电动机内部具有一种粘性阻尼的特性，这种阻尼特性通服电动机内部具有一种粘性阻尼的特性，这种阻尼特性通常以阻尼系数常以阻尼系数D D来量度，用数学式表示为来量度，用数学式表示为阻尼系数的物理意义阻尼系数的物理意义 阻尼系数阻尼系数D D值越大，即机械特性上值越大，即机械特性上 值越大，值越大，表示负载转矩的变化对转速的影响很小，电机运行比较表示负载转矩的变化对

26、转速的影响很小，电机运行比较平稳平稳。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.6椭圆形旋转磁场及其分析方法椭圆形旋转磁场及其分析方法交交流流伺伺服服电电动动机机在在圆圆形形旋旋转转磁磁场场作作用用下下的的运运行行情情况况，称称为为电电机机处处于于对对称称运运行行状状态态，加加在在定定子子两两相相绕绕组组上的电压都是额定值上的电压都是额定值。但但这这只只是是交交流流伺伺服服电电动动机机运运行行中中的的一一种种特特殊殊状状态态，交交流流伺伺服服电电动动机机在在系系统统中中工工作作时时，为为了了对对它它的的转转速速进进行行控控制制，加加在在控控制制绕绕组组上上的的控控制制电电压压是是在在变变

27、化化的的，经经常不等于其额定值，常不等于其额定值，电机也经常处于电机也经常处于不对称状态不对称状态。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由由于于交交流流伺伺服服电电动动机机在在运运行行过过程程中中控控制制电电压压经经常常在在变变化化，因因此此两两相相绕绕组组所所产产生生的的磁磁势势幅幅值值一一般般是是不不相相等等的的，即即IkNkIfNf，这这样样代代表表两两个个脉脉振振磁磁场场的的磁磁通通密密度度向向量量幅幅值值也也不不相相等等，即即Bkm Bfm ，而而且且通通入入两两个个绕绕组组中中的的电电流流在在时时间间上上相相位位差差也也不不总总是是90，这这时时在在电电机机中产生的是中产生

28、的是椭圆形的旋转磁场椭圆形的旋转磁场。椭圆里，长轴为椭圆里，长轴为 , ,短轴为短轴为 ，令，令 为椭圆的短为椭圆的短长轴之比，则长轴之比，则 。 的值的值决定了磁场椭圆的程决定了磁场椭圆的程度度。随着。随着 值的减小，磁场的椭圆度增大。值的减小，磁场的椭圆度增大。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图733椭圆磁场椭圆磁场返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当当=1，图图形形是是个个圆圆，这这时时两两个个绕绕组组所所产产生生的的磁通密度向量幅值相等，磁通密度向量幅值相等，产生产生圆形旋转磁场圆形旋转磁场；当当=0，图图形形是是条条线线，这这时时控控制制绕绕组组中中的的电

29、电流流为为0，电电机机是是单单相相运运行行，只只有有励励磁磁绕绕组组产产生生磁磁场场，这这个个磁磁场场是是单单相相脉脉振振磁磁场场，是是椭椭圆圆磁磁场场的的一一种极限情况。种极限情况。图7-33结论结论：一一个个脉脉振振磁磁场场可可用用两两个个幅幅值值相相等等、转转向向相相反反的的圆圆形形旋旋转转磁磁场场来来代代替替，这这两两个个圆圆形形旋旋转转磁磁场场的的磁磁通通密密度度向向量量都都等等于于脉脉振振磁磁通通密密度度向向量量幅幅值值之之半半，转转速速等等于于脉脉振磁通密度变化的频率振磁通密度变化的频率f。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.7幅值控制时的特性幅值控制时的特性7.7.

30、1有效信号系数有效信号系数 采用幅值控制的交流伺服电动机在系统工作时，励磁采用幅值控制的交流伺服电动机在系统工作时，励磁绕组通常是接在恒值的交流电源上，其值等于额定励磁电绕组通常是接在恒值的交流电源上，其值等于额定励磁电压，励磁电压压，励磁电压 与控制电压与控制电压 之间固定的保持之间固定的保持9090o o的相位的相位差，而控制电压差，而控制电压 的值却经常的变化。的值却经常的变化。实际使用中，为方实际使用中，为方便起见，常将控制电压用其相对值表示，同时考虑到控制便起见，常将控制电压用其相对值表示，同时考虑到控制电压是表征对伺服电动机所施加的控制电信号，所以称这电压是表征对伺服电动机所施加的

31、控制电信号，所以称这个相对值为个相对值为有效信号系数有效信号系数，并用，并用 表示，即表示，即（7-77）式中，为实际控制电压；为额定控制电压，当控制电压在0变化时，有效信号系数在01变化。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 不同有效信号系数的磁场不同有效信号系数的磁场：注意注意：采用不但可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机不对称运行的程度。与前面的与前面的是一样的！是一样的！当，气隙合成磁场是一个圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态；当，气隙合成磁场是一个脉振磁场，电机不对称运行状态最大；当，气隙合成磁场是一个椭圆形旋转磁场，电机处于不对称运行状态；结论结论：改改变变控控制制电电压

32、压，即即改改变变的的大大小小，也也就就改改变变了了电电机机不不对对称称程程度度，所所以以两两相相交交流流伺伺服服电电动动机机是是靠靠改改变变电电机机不不对称程度来达到控制的目的。对称程度来达到控制的目的。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 注意注意! !单相脉振磁场是椭圆形磁场的特殊情况，可分解为两单相脉振磁场是椭圆形磁场的特殊情况，可分解为两幅值相等，转向相反的圆形旋转磁场。幅值相等，转向相反的圆形旋转磁场。椭圆形旋转磁场可分解为两幅值不等，转向相反的圆椭圆形旋转磁场可分解为两幅值不等，转向相反的圆形旋转磁场；形旋转磁场；第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.7.3零信号时

33、的机械特性和无零信号时的机械特性和无“自转自转”现现象象对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，即零对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，即零信号时的机械特性。所谓信号时的机械特性。所谓“零信号零信号”，就是控制电压为，就是控制电压为0 0，磁场为脉振磁场。磁场为脉振磁场。图图7-44 7-44 零信号时的机械特性零信号时的机械特性第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 自转现象与转子电阻的关系：自转现象与转子电阻的关系：转子电阻RR=RR1较小时，在电机工作的转差率范围内，即时，合成转矩T 绝大部分是正的。如果伺服电动机在控制电压作用下工作，突然切去控制电信号时，只要阻转矩小于单相

34、运行时的最大转矩，电动机仍将在转矩T 作用下继续旋转，这就产生了自转现象自转现象，造成失控。(a)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子电阻RR=RR2RR1时。此时转子电阻有所增加，临界转差率增加到，合成转矩减小的多，但仍产生自转现象。(b)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子电阻增大到的程度。这时合成转矩在电机运行范围内为负值，即为制动转矩。因而当控制电压取消变为单相运行时，电机立刻产生制动转矩，与负载转矩一起促使电机迅速停转，不会产生自转现象。(c)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 无无自自转转现现象象是是自自动动控控制制系系统统对对交交流流伺伺服服电电动

35、动机机的的基基本本要要求求之之一一。所所谓谓无无自自转转现现象象，就就是是当当控控制制电电压压一一旦旦取取消消时时(即即Uk=0时时)，伺伺服服电电动动机机应应立立即即停停转转。所所以以为为了了消消除除自自转转现现象象，交交流流伺伺服服电电动动机机零零信信号号时时的的机机械械特特性性必必须须如如图图4-44所所示示，显显然然这这也也就就要要求求有有相相当当大大的的转子电阻。转子电阻。图7-44第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-44sm1自自转现象与象与转子子电阻关系阻关系返回第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 工艺性自转：工艺性自转：除了由于转子不够大而引起的自转外，

36、还存在一种工艺性自转。这种自转是由于定子绕组有匝间短路，铁心有片间短路，或者各向磁导不均等工艺上的原因所引起的当取消电信号时，本应是脉振磁场，但这时却成了微弱的椭圆磁场，在椭圆磁场的作用下，转子也会自转起来。工艺性自转多半发生在功率极小（十分之几瓦至数瓦）的伺服电动机中，由于电机的转子惯性极小，在很小的椭圆形旋转磁场作用下就能转动。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.7.4转速的控制与调节特性转速的控制与调节特性调节特性调节特性对伺服电机关心的是转速与控制电信号的关系，往往采用所谓“调节特性”表示。调节特性就是表示当输出转调节特性就是表示当输出转矩一定的情况下，转速与有效信号系数矩

37、一定的情况下，转速与有效信号系数 的变化关系的变化关系。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.8移相方法和控制方式移相方法和控制方式为了在电机内形成一个圆形旋转磁场没要求励磁电为了在电机内形成一个圆形旋转磁场没要求励磁电压和控制电压之间应有压和控制电压之间应有90900 0的相位差。但是实际工作中的相位差。但是实际工作中经常是单相或三相电源。需要设法使现有电源改变成具经常是单相或三相电源。需要设法使现有电源改变成具有有90900 0相移的两相电源，满足交流伺服电动机的需要。相移的两相电源，满足交流伺服电动机的需要。问题提出问题提出直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制直接将电源

38、移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一固定的电压之间有一固定的9090相移，这些移相方法通称为相移，这些移相方法通称为电电源移相源移相。 采用电源移相时，交流伺服电动机只是通过改采用电源移相时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值来控制转速的，而定子绕组上两电压的变控制电压的值来控制转速的，而定子绕组上两电压的相位差恒定地保持为相位差恒定地保持为9090。这种控制方式常称为。这种控制方式常称为幅值控幅值控制制。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1、利用三相电源的相电压和线电压构成、利用三相电源的相电压和线电压构成90的移相的移相三相电源如有中点，取一相电压如加到控制绕组上，

39、另外两相的线电压如供给励磁绕组；三相电源如无中点，这时可接一个三相变压器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形成具有900相移的两相电压；也可采用一个具有中间抽头的带铁心的电抗线圈(或变压器绕组)造成人工中点，把电抗线圈两端接在三相电源的B、C两头上，如果它的中间抽头为D点，那么与两个电压的相位差正好是900。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (1)(2)(3)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 三三相相电电源源三三个个线线电电压压的的相相位位互互差差120，有有时时为为了了方方便便，直直接接取取任任意意两两相相线线电电压压使使用用，若若加加上上系系统统中中其其它它元元件件

40、(如如自自整整角角机机，伺伺服服放放大大器器等等)的的相相位位移移，这这时时加加到到伺伺服服电电动动机机定定子子绕绕组组上上的的两两个个电电压压能能接接近近90的的相相位差。位差。2、利用三相电源的任意两相线电压、利用三相电源的任意两相线电压第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 在系统的控制线路中，为了使伺服电动机的控制在系统的控制线路中，为了使伺服电动机的控制电压与励磁电压成电压与励磁电压成90的相移，的相移，往往采用移相网络，往往采用移相网络，如图如图7-52所示。所示。这时把这时把线路上恒定的单相交流电源线路上恒定的单相交流电源作为基准电压供给系统中的各个元件作为基准电压供给系统中

41、的各个元件(如图中的自整角如图中的自整角机及交流伺服电动机机及交流伺服电动机)，由由敏感元件敏感元件(如自整角变压器如自整角变压器)输出的偏差信号经过电子移相网络再输入到交流放大输出的偏差信号经过电子移相网络再输入到交流放大器中器中去，去，这样通过移相网络移相，这样通过移相网络移相，再加上敏感元件和再加上敏感元件和放大器的相移，放大器的相移，在交流放大器输出端就能得到与系统在交流放大器输出端就能得到与系统基准电压基准电压成成90相移的控制电压相移的控制电压。3、采用移相网络、采用移相网络第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-52采用电子移相网络的伺服系统采用电子移相网络的伺服系统

42、第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 这这种种移移相相方方法法只只要要在在交交流流伺伺服服电电动动机机的的励励磁磁相相电电路路中中串串联联(或或串串、并并联联)上上一一定定的的电电容容C，在在放放大大器器之之前前就就不不需需要要再再引引入入电电子子移移相相网网络络了了，其其控控制制线线路路如如图图7-53所所示。示。4、在励磁相中串联电容器、在励磁相中串联电容器第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7-53电容伺服电动机控制线路图电容伺服电动机控制线路图第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10交流伺服电动机的使用交流伺服电动机的使用7.10.1控制绕组与放大器的连接

43、控制绕组与放大器的连接控制绕组与放大器的输出端直接相连，因此控制相电路就成为放大器的直接负担，伺服电动机所需的控制电流和控制功率都是放大器供给的。为减少放大器的负担，以便缩小放大器的体积和重量，简化放大器的结构，就必须尽可能减少要求它提供的控制电流和功率。问题提出问题提出第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 实验方法确定补偿电容值实验方法确定补偿电容值在控制绕组的两端并联一个可变电容，让电容由小到大逐渐增加，观察总电流，当电流表指示最小时，此时的电容值即为所需的电容值。措施措施为了减少放大器的负担，可以在控制绕组两端并联电容Ck来补偿无功电流，提高控制相的功率因数。补偿电容在控制电压最大

44、时取，这时放大器负担最重。电容值如果选择得当，可使控制相电路发生并联谐振，功率因数接近1，放大器只需输出有功电流。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.2电机的输入阻抗电机的输入阻抗问题提出问题提出控制相电路是放大器的直接负载，存在阻抗匹配的问题。交流伺服电动机的输入阻抗为Z=Uk/Ik，随转速n的升高而变大。从最大功率传递角度考虑，应使放大器阻抗与控制绕组的输入阻抗匹配，由于Z 不是固定值，想任何时候获得阻抗匹配是不可能的。伺服电动机经常在小控制电压和低转速状态下工作，在零转速(即电动机启动)时，输入阻抗是与控制电压无关的一个确定值。因此，强调功率匹配，一般也只是考虑在转速为

45、0时实现。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.3放大器内阻抗对机械特性的影响放大器内阻抗对机械特性的影响问题提出问题提出交流伺服电动机的控制功率由放大器供给时，放大器可以看成具有一定内阻抗的交流电源。放大器与控制相电路的等值电路如图7-69。图7-69 等值电路图结论：放大器内阻对加在控制绕组上的电压有影响，进而影响电机机械特性。控制绕组上电压控制绕组上电压措施措施减少放大器内阻抗有效方法是在放大器末级（功率级）加电压负反馈。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.4单相自转单相自转无自转现象是控制系统对伺服电动机的基本要求之一，一台正常合格的交流伺服电动机应具

46、有无自转性能。自转现象与控制电信号取消时控制相电路的情况控制相电路的情况及放大放大器内阻抗的值器内阻抗的值有关。试验与理论分析的一些经验试验与理论分析的一些经验：控制绕组两端直接短接，对伺服电动机来说是最容易实现无自转的，这是最起码的无自转条件；若伺服电机能在控制绕组断开的情况下实现不自转，则一定能实现当控制绕组两端直接或通过纯电阻或通过电感性阻抗短接时不自转，但不一定能实现通过电容性阻抗短接情况下不自转；控制绕组两端通过电容器短接不自转的要求，是最苛刻的条件。注意注意：选用产品时应明确单相无自转要求的实现条件。：选用产品时应明确单相无自转要求的实现条件。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电

47、动机 实际使用中，对于已选定的某一伺服电动机，自转现象还与放大器的内阻抗大小有关。当控制电信号取消后，放大器内阻抗越大控制相电路越接近开路（或通过电容器短接），电机就容易自转。理论分析表明：为消除自转，必须使放大器输出阻抗小于从控制绕组端看入的转子等效电阻。放大器内阻抗对自转的影响放大器内阻抗对自转的影响：第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.5发热和温升发热和温升问题提出问题提出交流伺服电动机转子电阻做的相当大，而且它经常运行在低速段（转差率为0.41之间）和不对称状态下，这样就使这种电机比一般电机损耗大，发热多，效率低。改善散热的方法改善散热的方法：电机最好装面积足够大金属

48、支架上，电机与支架应紧密接触，更不要垫传热不良的物质；电机连同支架要通风良好，必要时可用风扇，甚至用水冷却；几台电机之间，以及电机与其他发热件如变压器、功率管等之间要尽量隔开。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.6控制电压中正交分量和高次谐波分量的影响控制电压中正交分量和高次谐波分量的影响实际使用时，控制绕组输入端，除了控制电压外，还常夹杂一些对控制无用的信号，即干扰信号。1、正交分量、正交分量： 如果控制电压 与励磁电压 相位差为90o，当控制电压取消时， 与 相移为180o或0o。电机中磁场为脉振磁场，电机不会转动，但是产生附加铁耗和铜耗；正交分量是与控制电压 成90o相

49、移的电压分量。 如果 与 相移不成90o，正交分量对电机的影响更大， 与 产生旋转磁场，使伺服电动机误动作，产生自转现象。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1、高次谐波分量、高次谐波分量： 由于敏感元件和伺服放大器等非线性，会带来高于电由于敏感元件和伺服放大器等非线性，会带来高于电源频率的高频电压，即高次谐波分量源频率的高频电压，即高次谐波分量。 为削弱高次谐波分量的影响，可在控制绕组两端并联为削弱高次谐波分量的影响，可在控制绕组两端并联电容，此电容既可提高控制相功率因数，又可起滤波作用电容，此电容既可提高控制相功率因数，又可起滤波作用。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7

50、.11主要性能指标和技术数据主要性能指标和技术数据7.11.1主要性能指标 1.空载始动电压Us0在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压Us0，通过以额定控制电压的百分比来表示。Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般Us0要求不大于额定控制电压的3%4%；使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的1%。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 2.机械特性非线性度km在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在转矩T=Td/2时的转速偏差n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数，定义为机

51、械特性非线性度，即如图7-74所示。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 3.调节特性非线性度kv在额定励磁电压和空载情况下，当e=0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差n与e=1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度，即如图7-75所示。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-74机械特性的非线性度第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-75调节特性的非线性度第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 4.堵转特性非线性度kd在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转特性的最大转矩偏差(Tdn)max与e=1时的堵转转矩Td0之比值的百分数，定义为

52、堵转特性非线性度，即如图7-76所示。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 以上这几种特性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统的动态误差就越小，工作就越准确，一般要求km10%20%，kv20%25%，kd5%。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-76堵转特性的非线性度第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-77不同信号系数e时的机械特性第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 5.机电时间常数j当转子电阻相当大时，交流伺服电动机的机械特性接近于直线。如果把e=1时的机械特性近似地用一条直线来代替，如图7-77中虚线所示，那末与这条线性机械特性相对应的机电时

53、间常数就与直流伺服电动机机电时间常数表达式相同，即(7-107)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 因而随着e的减少，相应的时间常数也随着增大，即 jjj还可以很方便地得出机电时间常数与有效信号系数e的关系式。若机械特性近似地可看作为直线(即令图7-49中的H=0)，由式(7-91)可得有效信号系数为e时的理论空载转速(7-108)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 堵转转矩 Td=eTd0(7-109)将式(7-108)和(7-109)代入式(7-107)，即可得出时间常数与有效信号系数的关系式为(7-110)第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.11.2主要技术数

54、据1.型号说明例如：第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 2.电压技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁绕组的额定电压一般允许变动范围为5%左右。电压太高，电机会发热；电压太低，电机的性能将变坏，如堵转转矩和输出功率会明显下降，加速时间增长等。当电机作为电容伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，会使电机过热。控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 3.频率目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50Hz(或60

55、Hz)，中频为400Hz(或500Hz)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.350.5mm的硅钢片。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500Hz、110V的电机，如果用在400Hz时，那末加到电机上的电压就应改成110400/500=88V。不过一般来说，改成代用频率之后，电机特性总要略差

56、一些。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 4.堵转转矩，堵转电流定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流。堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图778伺服电动机的额定状态第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 5.空载转速定子两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0。空载转速与电机的极数有关。由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 6.额定输出功率当电机处于

57、对称状态时，输出功率P2随转速n变化的情况如图7-78所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态。电机可以在这个状态下长期连续运转而不过热。这个最大的输出功率就是电机的额定功率P2n，对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn和额定转速nn。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 思考题与习题思考题与习题1.单相绕组通入直流电、交流电及两相绕组通入两相交流电各形成什么磁场?它们的气隙磁通密度在空间怎样分布，在时间上又怎样变化?2.何为对称状态?何为非对称状态?交流伺服电动机在通常运行时是怎样的磁场?两相绕组通上相位相同的交流电流能否形成旋

58、转磁场?第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 3.当两相绕组匝数相等和不相等时，加在两相绕组上的电压及电流应符合怎样条件才能产生圆形旋转磁场?4.改变交流伺服电动机转向的方法有哪些?为什么能改变?5.什么叫作同步速”如何决定?假如电源频率为60Hz，电机极数为6，电机的同步速等于多少?6.为什么交流伺服电动机有时能称为两相异步电动机?如果有一台电机，技术数据上标明空载转速是1200r/min，电源频率为50Hz，请问这是几极电机?空载转差率是多少?第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.当电机的轴被卡住不动，定子绕组仍加额定电压，为什么转子电流会很大?伺服电动机从启动到运转时，转

59、子绕组的频率、电势及电抗会有什么变化?为什么会有这些变化?8.电压平衡方程式中所表示的各电压和电势是怎样产生的?请将交流伺服电动机与变压器作一比较，两者有哪些相似之处?9.什么是电源移相，什么是电容移相，电容移相时通常移相电容值怎样确定?电容伺服电动机转向怎样?第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 10.怎样看出椭圆形旋转磁场的幅值和转速都是变化的?当有效信号系数e从01变化时，电机磁场的椭圆度怎样变化?被分解成的正、反向旋转磁场的大小又怎样变化?11.什么是自转现象?为了消除自转，交流伺服电动机零信号时应具有怎样的机械特性?12.与幅值控制时相比，电容伺服电动机定子绕组的电流和电压随转

60、速的变化情况有哪些不同?为何它的机械特性在低速段出现鼓包现象?第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 13.何为交流伺服电动机的额定状态?额定功率含义如何?14.一台两极交流伺服电动机，励磁和控制绕组的有效匝数分别为Wf和Wk，两绕组轴线在空间相隔角(90)，设在该两绕组中各送入电流if=Ifmcost和ik=Ikmcos(t-)。试求获得圆形磁场的条件。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 15.一台两极的两相伺服电动机，励磁绕组通以400Hz的交流电，当转速n=18000r/min时，使控制电压Uk=0，问此瞬时：(1)正、反旋转磁场切割转子导体的速率(即转差)为多少?(2)正、

61、反旋转磁场切割转子导体所产生的转子电流频率各为多少?(3)正、反旋转磁场作用在转子上的转矩方向和大小是否一样?哪个大?为什么?第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 16.一台400Hz的两相伺服电动机，当励磁绕组加电压Uf=110V，而控制电压Uk=0时，测得励磁电流If=0.2A，将If的无功分量用并联电容补偿后，测得有功分量(即If的最小值)Ifa=0.1A。试问：(1)励磁绕组阻抗Zf0及阻抗角f0各等于多少?(2)如果只有单相电源，又要求n=0时移相90，应在励磁绕组上串多大电容?(3) 若电源电压为110 V， 串联电容后， Uf=?UC=?(n=0时)(4)设电机额定电压Ufn=110V，此时电源电压U1应减少到多少伏?串联电容值要不要修改?