2.3、交流伺服电机 交流电机分类 基本原理 ◆异步电机 ◆三相（工业用） 两相绕组交流伺服电机 ◆同步电机 ◆单相（民用） 交流伺服电机的应用 ◆两相（伺服） 三相异步电机 发展现状 2.3.1、交流电机的基本结构和 原理 交流伺服：控制技术复杂： 内容： 直流伺服：控制技术简单 普通三相交流电机结构原理的回顾 由于大功率开关器件、模拟和数字专用集 两相绕组交流伺服电机 成电路、微处理机技术、材料技术和控 制技术的进步，交流伺服技术越来越具 交流伺服电机的应用 备与直流伺服技术竞争的实力。 三相异步电机 今后的趋势是交流伺服逐渐取代直流伺 服。但目前为止，交流电机的动态性能 一般还达不到直流伺服电机的水平 2.3.1.1、普通 三相电流产生的旋转磁场 三相交流电机 简要原理：转于切 割旋转磁场，产生 定子绕组通以三相电流 袋构凰程 感应电流和电势， 时，各相绕组中的电流 其与旋转磁场相互 i=I sin ot 将产生自己的磁场，三 ◆鼠笼式转子 作用产生力和转 相电流产生的总磁场不 矩，其方向与旋转 ig =I sin(@t-120) 仅随时间变化，而且在 磁场相同。 ic =I sin(@t+120) 空间旋转。 三相对称 电流通入 6@6 三相树称 绕组时， 在电机内 部产生一 个图形旋 转磁势 1
1 2.3、交流伺服电机 基本原理 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 交流电机分类 三相（工业用） 单相（民用） 两相（伺服） 异步电机 同步电机 发展现状 交流伺服：控制技术复杂； 直流伺服：控制技术简单 由于大功率开关器件、模拟和数字专用集 成电路、微处理机技术、材料技术和控 制技术的进步，交流伺服技术越来越具 备与直流伺服技术竞争的实力。 今后的趋势是交流伺服逐渐取代直流伺 服。但目前为止，交流电机的动态性能 一般还达不到直流伺服电机的水平 2.3.1、交流电机的基本结构和 原理本节内容： 普通三相交流电机结构原理的回顾 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 2.3.1.1、普通 三相交流电机 结构原理 定子绕组 鼠笼式转子 简要原理：转子切 割旋转磁场，产生 感应电流和电势， 其与旋转磁场相互 作用产生力和转 矩，其方向与旋转 磁场相同。 三相电流产生的旋转磁场 i I t A = m sinω i = I sin( t −120°) B m ω i = I sin( t +120°) C m ω 三相对称 电流通入 三相对称 绕组时， 在电机内 部产生一 个圆形旋 转磁势 定子绕组通以三相电流 时，各相绕组中的电流 将产生自己的磁场，三 相电流产生的总磁场不 仅随时间变化，而且在 空间旋转
交流电机工作原理实验 2.3.1.2、几个概念(1) ◆当转动手柄 使永久磁铁旋 ◆旋转磁场：由定子绕组中 转时，鼠笼转 的多相交流电流产生。 三种运动磁场： 子也会跟着磁 >圆形（普通三 铁转动起来。 多相电流的优点之一：可 相电机) ◆转子的转速 >椭圆 以产生等效旋转磁场。 比磁铁慢 一脉振（单相电 ◆当磁铁的旋 机) 转方向改变 三相电机中任意两相的端子 时，转子的旋 与电源的联接对换，旋转磁 转方向也跟着 场的方向就会改变。 改变。 几个概念(2) 几个概念(3) ◆同步转速n。(旋转磁场的转速)：与电机 极数和电源频率有关： ◆转差率S: n(rs)=50f (rlmin) 5=?=”,-n n,n, 转差率越大，转子速度越低。当s=0, 式中，f为电源频率：p为电机极对数（一个N 转子转速与定子磁场转速相同，不产生 极和一个S极构成一个极对)。 转矩。通常圆形磁场作用下的n为n,的 56左右。 2 3 f=30e) 3000 1500 1000 750 f400tHa) 21000 12000 8000 6000 2.3.1.3、三相异步电机的机械特 转子电磁力的产生 性 ◆转子速度小于定子旋转磁场 转速（即异步），转子导条 (鼠笼条)将切割旋转磁场的 磁力线而产生感应电流（右手 定则)： ◆该电流又与旋转磁场相互作 用产生电磁力（左手定 则)，使电机转子旋转。 2
2 交流电机工作原理实验 当转动手柄 使永久磁铁旋 转时，鼠笼转 子也会跟着磁 铁转动起来。 转子的转速 比磁铁慢 当磁铁的旋 转方向改变 时，转子的旋 转方向也跟着 改变。 2.3.1.2、几个概念 （1） 旋转磁场:由定子绕组中 的多相交流电流产生。 三种运动磁场： ¾圆形（普通三 相电机） ¾椭圆 ¾脉振（单相电 机） 三相电机中任意两相的端子 与电源的联接对换，旋转磁 场的方向就会改变。 多相电流的优点之一：可 以产生等效旋转磁场。 几个概念 （2） 同步转速 ns（旋转磁场的转速）：与电机 极数和电源频率有关： 式中，f为电源频率；p为电机极对数（一个N 极和一个S极构成一个极对）。 ( / min) 60 ( / ) r p f r s p f ns = = 几个概念 （3） 转差率s： s s s n n n n n s − = Δ = 转差率越大，转子速度越低。当s = 0， 转子转速与定子磁场转速相同，不产生 转矩。通常圆形磁场作用下的n为ns 的 5/6左右。 转子电磁力的产生 该电流又与旋转磁场相互作 用产生电磁力（左手定 则），使电机转子旋转。 转子速度小于定子旋转磁场 转速（即异步），转子导条 （鼠笼条）将切割旋转磁场的 磁力线而产生感应电流（右手 定则）； 2.3.1.3、三相异步电机的机械特 性
圆形磁场下的电磁转 矩参数表达式： 三相异步电机的机械特性 mpU s t n 理想空载」 额定工作点 临界工作 0 点，s<为稳 定工作区 2G+2)2+(,+x)2 电磁转矩的影响因素： 启动工作点 ◆电源参数：U1(相电压)、千（电源频率） ◆结构参数：「1、「2分别为定子和转子的等效 电阻、×1、x2分别为定子和转子的相关参 数、m,(定子相数)、p(极对数) ◆运行参数：s(或转速) 在额定负载范围，s<S· 普通异步电机的 sv=0.01~0.05,很小，可看作恒速电机 最大电磁转矩Tm和临界转差率sm 讨论： Ta mpU 令dr_=0 4π(+x2) + ds 当其它参数一定时： Tnas= mpU mpU ①临界转差率与电源电压无关。 4πf±r+V+(x+x)] 4πf(x+x2) ②转子回路电阻越大，临界转差率越大： Snm=士 ③最大电磁转矩与转子电阻无关。 ++2 X+X2 ④最大电磁转矩与电源电压平方成正比： ⑤频率越高，最大电磁转矩越小 过载能力 九，= 普通电机约 为1.62.5 改变转子回路电阻时的机械特性 2.3.2、两相绕组交 当增大转子 流伺服电机 电阻时，机 械特性的非 ◆原理 线性特征减 T2 小，s增大， ◆圆形旋转磁场和椭圆形旋 但T不变。 转磁场 s。≥1时， ◆特点 多用于微型 即呈现伺服 ◆控制方式 r2+R2 电机的机械 ◆特性分析 rz+R3 特性— 一软 ◆动态特性 特性 ◆交、直流电机的性能比较 3
3 圆形磁场下的电磁转 矩参数表达式： 电磁转矩的影响因素： 电源参数：Ｕ1（相电压）、f1（电源频率） 结构参数：r1、r2`分别为定子和转子的等效 电阻、x1、x2`分别为定子和转子的相关参 数、m1（定子相数）、p（极对数） 运行参数：s（或转速） ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + + = ' 2 1 2 2 ' 2 1 1 ' 2 2 1 1 2 ( ) ( x x ) s r f r s r m p U Tem π 在额定负载范围，s<sN。普通异步电机的 sN＝0.01～0.05，很小，可看作恒速电机 三相异步电机的机械特性 s n 0 nN sN nm sm 1 0 TN Tst Tmax A Tem B C D 理想空载 额定工作点 启动工作点 临界工作 点，s<sm为稳 定工作区 最大电磁转矩Tm和临界转差率sm m ax T N T T λ = ' 1 2 ' 2 ' 2 1 2 2 1 ' 2 ( ) x x r r x x r sm + ≈ ± + + = ± 2 2 11 11 ' 2 '2 11 2 11 1 1 2 4 [ ( )] 4( ) max m pU m pU T π fr r xx π f x x =± ≈± ±+ + + + 过载能力 0 em dT ds 令 = 普通电机约 为1.6～2.5 当其它参数一定时： ①临界转差率与电源电压无关。 ②转子回路电阻越大，临界转差率越大； ③最大电磁转矩与转子电阻无关。 ④最大电磁转矩与电源电压平方成正比； ⑤频率越高，最大电磁转矩越小 讨论： 2 1 1 ' 11 2 4( ) max m pU T π f x x ≈ ± + ' 2 ' 1 2 m r s x x ≈ ± + 改变转子回路电阻时的机械特性 r2+Rs3 Tst2 sm2 r2+Rs2 Tst1 sm1 r2+Rs1 1 0 Tst Tm Tem s n 0 n1 sm r2 当增大转子 电阻时，机 械特性的非 线性特征减 小，sm增大, 但Tm不变。 sm ≥ 1时， 即呈现伺服 电机的机械 特性——软 特性 2.3.2、两相绕组交 流伺服电机 多用于微型 原理 圆形旋转磁场和椭圆形旋 转磁场 特点 控制方式 特性分析 动态特性 交、直流电机的性能比较
2.3.2.1、原理 两相交流伺服电机电原理图 控制 绕组 励磁 绕 腾相族里仔书图 定子槽中嵌有两个绕组： ◆对称两相绕组：在空间上互差90°电角度，有效 ◆控制绕组 匝数又相等的两个绕组。 ◆励磁绕组 ◆两相对称电流：激磁绕组的电流与控制绕组的电 流/幅值上相等、相位上相差90° 两相绕组产生的旋转磁场原理 合成磁通 ◆当电流变化一个 控制绕组： ic le sin@t 周期时，电流的 激磁绕组： 磁场旋转一周。 i=I sin(@1-90) 由此形成的磁通密度幅值，B=Bm=B。，其合成磁场 ◆当任意一个绕组 的磁通密度为： 上所加的电压反相 180度时，该绕组电 B-√B.'+B,-√B.sin o)2+(Bsin(o1-90=B. 流也反相，旋转磁 场的转向也改变。 此为圆形旋转磁场。 2.3.2.2、圆形旋转磁场和椭圆 产生圆形磁场的条件 形旋转磁场 I Wr=IW. 圆形旋转磁场： 或 两相绕组有效 磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不 匝数不等时， 变并以恒定的速度在空间旋转 若要产生圆形 旋转磁场，两 个绕组中的电 流值应与绕组 其中： 匝数成反比。 W和W分别为励磁绕组和控 制绕组的线圈匝数 4
4 2.3.2.1、原理 定子槽中嵌有两个绕组： 控制绕组 励磁绕组 励磁 绕组 控制 绕组 两相交流伺服电机电原理图 两相对称电流：激磁绕组的电流I f 与控制绕组的电 流I c幅值上相等、相位上相差90° 对称两相绕组：在空间上互差90°电角度，有效 匝数又相等的两个绕组。 两相绕组产生的旋转磁场原理 当电流变化一个 周期时，电流的 磁场旋转一周。 当任意一个绕组 上所加的电压反相 180度时，该绕组电 流也反相，旋转磁 场的转向也改变。 合成磁通 控制绕组： 激磁绕组： 由此形成的磁通密度幅值， ，其合成磁场 的磁通密度为： 此为圆形旋转磁场。 i I t c = c sinω i = I sin( t − 90°) f c ω Bcm = Bfm = Bm c f cm fm Bm B = B + B = B t + B t − ° = 2 2 2 2 ( sinω ) ( sin(ω 90 )) 2.3.2.2、圆形旋转磁场和椭圆 形旋转磁场 圆形旋转磁场： 磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不 变并以恒定的速度在空间旋转 产生圆形磁场的条件 f f cWc I W = I k W W I I c f f c = = 或 其中： Wf 和Wc分别为励磁绕组和控 制绕组的线圈匝数 两相绕组有效 匝数不等时， 若要产生圆形 旋转磁场，两 个绕组中的电 流值应与绕组 匝数成反比
圆形旋转磁场的 合成磁场为控 合成磁场为励 圆形旋转磁场的简单小结(1) 旋向 制绕组磁场 磁绕组磁场 (1)单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一 旋向：从超前电流（控制） 个脉振磁场。两相绕组通入一定的电流，可 的绕组轴线到流过落后电流 形成合成的旋转磁场 (励磁)的绕组轴线。 (2)圆形旋转磁场的特点是：它的磁通密度在 空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定 的速度在空间旋转。 (③)两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆 改变旋向：任 形旋转磁场：或者说，空间上相差90°电角 意绕组上所加 度，时间上彼此有90°相位差、幅值又相等 电压反向 的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。 物相的 圆形旋转磁场的简单小结(2) 两相交流伺服电机的旋转磁场 (4)旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线 两相交流伺服电机在运行时，通常定子绕组 (此绕组中流有相位超前的电流)转到落后相 产生的是一个椭圆形旋转磁场。 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（即相位改变180°），就 可以改变旋转磁场的转向。 椭圆形旋转磁场： (⑤)旋转磁场的转速称为同步转速，只与电机 磁势向量的端点（或幅值）轨迹在空间是 极数和电源频率有关，其关系为： 一个椭圆。 n(r/s)=(r/min) p 旋转磁场的形状：椭圆形和圆形 圆形 m=中m 椭圆旋转磁场的产生条件 磁场 若：两相绕组电流相位差为90°，但幅值不 件 相等：或相位差不是90°： 或： 合成磁场 则：形成椭樹提转磁场 末端轨迹 椭圆形旋转磁场 「圆形旋转磁场 5
5 圆形旋转磁场的 旋向 合成磁场为控 制绕组磁场 合成磁场为励 磁绕组磁场 旋向：从超前电流（控制） 的绕组轴线到流过落后电流 （励磁）的绕组轴线。 改变旋向：任 意绕组上所加 电压反向 圆形旋转磁场的简单小结（1） (1) 单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一 个脉振磁场。两相绕组通入一定的电流，可 形成合成的旋转磁场 (2) 圆形旋转磁场的特点是： 它的磁通密度在 空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定 的速度在空间旋转。 (3) 两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆 形旋转磁场； 或者说， 空间上相差90°电角 度，时间上彼此有90°相位差、幅值又相等 的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。 圆形旋转磁场的简单小结（2） (4) 旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线 (此绕组中流有相位超前的电流)转到落后相 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(即相位改变180°)，就 可以改变旋转磁场的转向。 ( / min) 60 ( / ) r p f r s p f ns = = (5) 旋转磁场的转速称为同步转速，只与电机 极数和电源频率有关， 其关系为： 两相交流伺服电机的旋转磁场 两相交流伺服电机在运行时，通常定子绕组 产生的是一个椭圆形旋转磁场。 椭圆形旋转磁场： 磁势向量的端点（或幅值）轨迹在空间是 一个椭圆。 椭圆形旋转磁场 圆形旋转磁场 合成磁场 末端轨迹 旋转磁场的形状：椭圆形和圆形 Φ k Φ f Φ k Φ Φ f Φ Φ Φ k Φ f 0 ω t Φ k Φ f ω t Φ 0 圆形 Φk m= Φfm 磁场 的条 件： 椭圆旋转磁场的产生条件 若：两相绕组电流相位差为90°，但幅值不 相等；或相位差不是90°； 或： 则：形成椭圆旋转磁场 f f cWc I W ≠ I