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1、第三章第三章 交流电机交流电机交流伺服电动机交流伺服电动机 伺服伺服电动机又称机又称执行行电动机，它能把机，它能把接接纳的的电压信号信号转换为电动机机转轴上的机上的机械角位移或角速度的械角位移或角速度的变化，具有服从控制化，具有服从控制信号的要求而信号的要求而动作的功能。作的功能。 可分可分为直流伺服直流伺服电动机和交流伺服机和交流伺服电动机两大机两大类。交流伺服电动机交流伺服电动机伺服电动机的特点：伺服电动机的特点：(1) (1) 广大的调速范围，机械特性和调理特性均为广大的调速范围，机械特性和调理特性均为线性。线性。(2) (2) 快速呼应性能好，在控制信号变化时，能迅快速呼应性能好，在控
2、制信号变化时，能迅速地从一种形状过渡到另一种形状。速地从一种形状过渡到另一种形状。(3) (3) 灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。下，伺服电动机就能起动运转。(4) (4) 无自转景象。无自转景象。所谓自转景象就是转动中的伺服电动机在控制电所谓自转景象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的景象；无自转景象就是控压为零时继续转动的景象；无自转景象就是控制电压降到零时，伺服电动机立刻自行停转。制电压降到零时，伺服电动机立刻自行停转。交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服交流伺服电动机普通机普通为两相交流两相交流电机。机
3、。转子有子有笼形和形和杯形两种。定子杯形两种。定子为两相两相绕组，并在空，并在空间相差相差9090电角度，一个角度，一个为励磁励磁绕组，另一个，另一个为控制控制绕组。交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理一、圆形旋转磁场一、圆形旋转磁场设两相对称绕组通入两相电流如下：设两相对称绕组通入两相电流如下：那么产生一个圆形旋转磁场：那么产生一个圆形旋转磁场：交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理产生圆形旋转磁场的条件：两绕组产生的磁产生圆形旋转磁场的条件：两绕组产生的磁势相等即可，势相等即可，即：即：NuIu=NvIvNuIu=NvI
4、v假设磁势不相等，那么产生的磁场是椭圆形假设磁势不相等，那么产生的磁场是椭圆形旋转磁场旋转磁场交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理二、二、椭圆形旋形旋转磁磁场的分析的分析分解法分解法1 1、脉、脉动磁磁场的分解的分解脉脉动磁磁场可以看做是可以看做是椭圆形旋形旋转磁磁场的的椭圆度大度大到极端的情况。到极端的情况。经过分解法可以把一个脉分解法可以把一个脉动磁磁场分解分解为两个两个赋值相等、相等、转速一速一样、转向相反的向相反的圆形旋形旋转磁磁场的的叠加叠加结果。果。脉脉动动磁磁场场分分解解为为两两个个旋旋转转磁磁场场的的表表示示图图交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理2 2
5、、椭圆形旋转磁场的分析、椭圆形旋转磁场的分析假设两相电流相位差假设两相电流相位差9090度，两相绕组对称，而电度，两相绕组对称，而电流幅值不等，那么产生一个椭圆形磁场，设两流幅值不等，那么产生一个椭圆形磁场，设两相电流幅值之比为相电流幅值之比为 那么产生的两个磁场那么产生的两个磁场可以表示如下：可以表示如下：交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理将以上所得磁场进展合成：将以上所得磁场进展合成：交流伺服电动机的任务原理交流伺服电动机的任务原理此时，相当于两个旋转磁场共同作用于转子此时，相当于两个旋转磁场共同作用于转子上，产生的合成转矩使转
6、子转动，两个磁上，产生的合成转矩使转子转动，两个磁场的大小关系取决于两相电流的幅值之比。场的大小关系取决于两相电流的幅值之比。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法1 1、幅值控制、幅值控制坚持坚持UjUj不变，改动不变，改动UkUk的幅值以改动转速。的幅值以改动转速。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法参与合成的每一条机械特性曲参与合成的每一条机械特性曲线：特点：特点：临界界转差率大于差率大于1 1。缘由：交流伺服由：交流伺服电动机机 转子子电阻都很大，阻都很大， 导致致临界界转差率差率 大于大于1 1优点：点：调速范速范
7、围宽， 可消除可消除“自自转。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法曲线合成结果：交流伺服电动机机械特性曲线。曲线合成结果：交流伺服电动机机械特性曲线。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法以上曲线在第一象限内的部分就是电动机运以上曲线在第一象限内的部分就是电动机运转形状部分。转形状部分。有效信号系数越小，磁场椭圆度越大，反向有效信号系数越小，磁场椭圆度越大，反向转矩越大，合成转矩在第一象限内的值就转矩越大，合成转矩在第一象限内的值就越小。越小。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法调理特性：当转矩一定时，控制电压与
8、转速之间调理特性：当转矩一定时，控制电压与转速之间的关系。的关系。在机械特性曲线中，平行在机械特性曲线中，平行n n轴做多条直线轴做多条直线M=CM=C，将直线与曲线交点坐标在调理特性曲线坐，将直线与曲线交点坐标在调理特性曲线坐标系中标出并连成线既得调理特性曲线。标系中标出并连成线既得调理特性曲线。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法3)3)控制信号控制信号为0 0时的机械特性和的机械特性和“自自转景象景象自自转：伺服：伺服电动机在控制信号消逝后仍机在控制信号消逝后仍继续旋旋转的失控景象称的失控景象称为“自自转。显然然, ,我我们需求
9、的是当控制信号需求的是当控制信号为零零时, ,转子的子的转速也速也为零零, ,此此时，只需，只需转子旋子旋转的方向和的方向和电磁磁转矩的方向相反矩的方向相反, ,就可以就可以实现此目的。此目的。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法使使电机制机制动到停到停顿，从而消除，从而消除“自自转添加添加转子子电阻，使正向磁阻，使正向磁场产生最大生最大转矩矩时的的Sm+1Sm+1，使正向旋，使正向旋转的的电机在控制机在控制电压消消逝后的逝后的电磁磁转矩矩为负值，即，即为制制动转矩，矩，使使电机制机制动到停到停顿；假；假设电机反向旋机反向旋转，那么在控制那么在控制电压消逝后的消逝后的电磁磁转矩矩为
10、正正值，也也为制制动转矩，矩，交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法2 2、相位控制、相位控制经过改动经过改动UkUk与与UjUj之间的相位差来控制电机的转之间的相位差来控制电机的转速和转向，幅值坚持不变。速和转向，幅值坚持不变。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法 改动相位差即可改动控制电压中与激磁电压垂直分改动相位差即可改动控制电压中与激磁电压垂直分量的大小，此时与幅值控制效果一样。量的大小，此时与幅值控制效果一样。 留意：由于控制电压还有一个分量与激磁电压平行，留意：由于控制电压还有一个分量与激磁电压平行，相互加强，所以对于同样的负载，当幅值控制与相位控相互加强，所
11、以对于同样的负载，当幅值控制与相位控制控制系数一样时，相位控制可以输出相对更大的转速。制控制系数一样时，相位控制可以输出相对更大的转速。交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机的控制方法3 3、幅相控制、幅相控制幅值幅值- -相位控制是指对幅值和相位差都进展相位控制是指对幅值和相位差都进展控制，经过改动控制电压的幅值及控制电控制，经过改动控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。的转速。单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机就是指用单相交流电源供电单相异步电动机就是指用单相交流电源供电
12、的异步电动机。单相异步电动机因其电源的异步电动机。单相异步电动机因其电源的方便而在家用电器、医疗器械以及工具的方便而在家用电器、医疗器械以及工具中广泛运用。中广泛运用。单相异步电动机根本任务原理单相异步电动机根本任务原理n单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋转磁场。因此，电动机的电磁转矩是由两转磁场。因此，电动机的电磁转矩是由两个旋转磁场产生的电磁转矩的合成。个旋转磁场产生的电磁转矩的合成。n由于两磁场对称，所以合成转矩必过原点，由于两磁场对称，所以合成转矩必过原点，且机械特性曲线关于原
13、点对称。且机械特性曲线关于原点对称。单相异步电动机根本任务原理单相异步电动机根本任务原理单相异步电动机根本任务原理单相异步电动机根本任务原理n机械特性具有以下特点：机械特性具有以下特点：n(1) (1) 当当转子子转动时，n=0n=0，T+ =TT+ =T ，T=0T=0，阐明明单相异步相异步电动机一相机一相绕组通通电时无起无起动转矩，矩，不能自行起不能自行起动。n(2) (2) 旋旋转方向不固定方向不固定时，由外力矩确定旋，由外力矩确定旋转方方向，并一向，并一经起起动，就会，就会继续旋旋转。当。当n n0 0，T T0 0 时机械特性在第一象限，机械特性在第一象限，电磁磁转矩属拖矩属拖动转矩
14、，矩，电动机正机正转运运转。当。当n n0 0，T T0 0 时机机械特性在第二象限，械特性在第二象限，T T仍是拖仍是拖动转矩，矩，电动机机反反转运运转。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法单相异步电动机不能自行起动，必需设单相异步电动机不能自行起动，必需设法使其起动。法使其起动。由于两相绕组通以相位不同的电流产生由于两相绕组通以相位不同的电流产生旋转磁场可以起动电机旋转磁场可以起动电机所以，单相电机起动方法：设法产生旋所以，单相电机起动方法：设法产生旋转磁场。转磁场。根据获得旋转磁场方式的不同，主要分根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机。为分相电动机和罩极
15、电动机。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法分相式单相异步电动机起动的必要条件为：分相式单相异步电动机起动的必要条件为：(1) (1) 定子具有空间不同相位的两套绕组；定子具有空间不同相位的两套绕组；(2) (2) 两套绕组中通入不同相位的交流电流。两套绕组中通入不同相位的交流电流。单相分相式异步电动机按起动方法分为以下几类：单相分相式异步电动机按起动方法分为以下几类：1) 1) 单相电阻分相起动异步电动机单相电阻分相起动异步电动机单相电阻分相起动异步电动机的定子上嵌放两个绕单相电阻分相起动异步电动机的定子上嵌放两个绕组。两个绕组接在同一单相电源上，副绕组组。两个绕组接在同一单相电
16、源上，副绕组( (辅助辅助绕组绕组) )中串一个离心开关。开关作用是当转速上升中串一个离心开关。开关作用是当转速上升到到80%80%的同步转速时，断开副绕组使电动机运转在的同步转速时，断开副绕组使电动机运转在只需主绕组任务的情况下。只需主绕组任务的情况下。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法n通常，主绕组匝数多，导线粗，副绕组匝数少，通常，主绕组匝数多，导线粗，副绕组匝数少，导线细，并可以经过改动主或者副绕组通电极导线细，并可以经过改动主或者副绕组通电极性改动转向。性改动转向。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法n2) 2) 单相电容分相起动异步电动机单相电容分相起动异
17、步电动机单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法 当副当副绕组中串中串联一个一个电容器和一个开关容器和一个开关时，假假设电容器容量容器容量选择适当，那么可以在起适当，那么可以在起动时经过副副绕组的的电流在流在时间和相位上超前主和相位上超前主绕组电流流9090电角，角，这样在起在起动时就可以得到一个就可以得到一个接近接近圆形的旋形的旋转磁磁场，从而有，从而有较大起大起动转矩。矩。电动机起机起动后后转速到达速到达75%75%85%85%同步同步转速速时副副绕组经过开关自开关自动断开，主断开，主绕组进入入单独独稳定定运运转形状。形状。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法3) 3)
18、 单相电容运转异步电动机单相电容运转异步电动机假设单相异步电动机辅助绕组不仅在起动假设单相异步电动机辅助绕组不仅在起动时起作用，而且在电动机运转中也长期任务，时起作用，而且在电动机运转中也长期任务，那么这种电动机称为单相电容运转异步电动机。那么这种电动机称为单相电容运转异步电动机。单相电容运转异步电动机实践上是一台两单相电容运转异步电动机实践上是一台两相异步电动机，其定子绕组产生的气隙磁场较相异步电动机，其定子绕组产生的气隙磁场较接近圆形旋转磁场。因此，其运转性能较好，接近圆形旋转磁场。因此，其运转性能较好，功率因数、过载才干比普通单相分相式异步电功率因数、过载才干比普通单相分相式异步电动机好
19、。动机好。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法2. 2. 单相罩极式单相罩极式( (磁通分相式磁通分相式) )异步电动机异步电动机单相罩极式异步电动机的构造有凸极式和单相罩极式异步电动机的构造有凸极式和隐极式两种，其中以凸极式构造最为常见。隐极式两种，其中以凸极式构造最为常见。凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，然凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，然后在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在后在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在每个磁极每个磁极1/31/31/4 1/4 处开一个小槽，槽中嵌放处开一个小槽，槽中嵌放短路环，将小部分铁心罩
20、住。转子均采用笼型短路环，将小部分铁心罩住。转子均采用笼型构造。构造。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法罩极式异步罩极式异步电动机当定子机当定子绕组通入正弦交流通入正弦交流电后，将后，将产生交生交变磁通磁通 ，其中一部分磁通，其中一部分磁通U U 不穿不穿过短路短路环，另一部分磁通，另一部分磁通V V 穿穿过短路短路环，由于短，由于短路路环作用，当穿作用，当穿过短路短路环的磁通的磁通发生生变化化时，短路，短路环必然必然产生感生感应电动势和感和感应电流，感流，感应电流流总是是妨碍磁通妨碍磁通变化，化，这就使穿就使穿过短路短路环部分的磁
21、通部分的磁通V V 滞后未罩部分的磁通滞后未罩部分的磁通U U ，使磁，使磁场中心中心线发生挪生挪动。于是，于是，电动机内部机内部产生了一个挪生了一个挪动的磁的磁场或或扫描磁描磁场，将其看成是，将其看成是椭圆度很大的旋度很大的旋转磁磁场，在，在该磁磁场作用下，作用下，电动机将机将产生一个生一个电磁磁转矩，使矩，使电动机旋机旋转。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法罩极式电动机的转向总是从磁极的未罩部分罩极式电动机的转向总是从磁极的未罩部分向被罩部分挪动，即转向不能改动。向被罩部分挪动，即转向不能改动。单相罩极式异步电动机的主要优点是构造简单相罩极式异步电动机的主要优点是构造简单、本钱低、维护方便。但起动性能和运转性能单、本钱低、维护方便。但起动性能和运转性能较差，所以主要用于小功率电动机的空载起动场较差，所以主要用于小功率电动机的空载起动场所，如电风扇等。所，如电风扇等。
